Лекции - Биоиндикация и антропогенные стрессоры

Подождите немного. Документ загружается.

пределы выносливости( зона толерантности)

(2)

зона

оптимума

зона зона

гибель угнетения угнетения гибель

(1) (3)

интенсивность фактора

Рисунок Схема влияния экологического фактора

Диапазон действия (или зона толерантности) ограничена крайними пороговыми значениями

(точки минимума (1) и максимума(3)). Точка (2), соответствующая наилучшим показателям жиз-

недеятельности, - это точка оптимума. Обычно точно определить оптимальное значение фактора

трудно, поэтому принято говорить о зоне оптимума, при котором наблюдается наивысшая продук-

тивность вида.

Условия среды, выходящие за пределы оптимальной зоны, называются экстремальными и со-

ставляют зону угнетения.

За пределами зоны толерантности лежат летальные значения, вызывающие гибель организма,

- это верхний и нижний пределы выносливости.

Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факторов на живые орга-

низмы и характер их ответных реакций известны как “правило оптимума” .

Ширина диапазона фактора, узкая (стенотопность или стенобиотность) или широкая (эври-

топность или эврибиотность) амплитуда вида определяют их индикационные возможности. Фи-

зиологическая толерантность организма определяет его индикаторную ценность.

На неблагоприятные условия среды живые организмы реагируют определенными дейст-

виями или изменением состояния, которые определяют выживание вида. Существуют два основ-

ных способа преодоления неблагоприятных воздействий: их избегание (avoidance) и приобрете-

ние выносливости (tolerance). Первый преимущественно используется животными, обладающими

подвижностью. Он представляет собой различного рода передвижения из неблагоприятных усло-

вий в благоприятные и включает различные миграции, таксисы и т. д. Большинство растений ли-

шено такой возможности. Своего рода «пассивное» их передвижение связано с распространением

семян и заселением местообитаний, пригодных для произрастания. Поэтому основной стратегией

жизни растений является адаптация к неблагоприятным условиям за счет выработки различных

приспособлений (за счет изменения строения, процессов жизнедеятельности и т.д.), обеспечи-

вающих нормальное функционирование организмов. Эти изменения могут носить как модифика-

ционный (ненаследственный) характер и исчезать у особи или ее потомства при отсутствии не-

благоприятных условий, вызвавших их, так и генотипический характер и передаваться по на-

следству от поколения к поколению.

Реакции организмов, развивающихся в составе сообществ, отличаются от потенциальных

требований, которые предъявляет вид к факторам внешней среды вне биоценоза. В экологии су-

ществует понятие о фактическом (синэкологическом) и потенциальном (аутэкологическом) опти-

мумах. Таким образом, в условиях конкурентной борьбы в составе сообщества распространение

вида зависит во многом от его конкурентоспособности и возможности (или невозможности) реа-

лизовать свои потребности в выборе условий местообитания.

Особый интерес в связи с оценкой воздействия на живые организмы антропогенных факто-

ров представляют динамические смены биоценозов во времени. В естественных условиях она про-

является как в сезонной изменчивости жизненной активности отдельных особей, так и изменении

состава сообществ живых организмов во времени - естественной динамике биогеоценозов.

Выделяют две категории динамики фитоценозов: экзо- и эндодинамические (в современ-

ной литературе приняты термины «экзоэкогенетические» и «эндоэкогенетические»).

Экзоэкогенетические (экзогенные, аллогенные) смены - возникают и протекают в ре-

зультате воздействия внешних факторов. Они могут быть непрерывными, возникающими в ре-

зультате постоянного длительного воздействия, или посткатастрофическими (постдизруптив-

ными), обусловленными резким изменением условий среды.

Эндоэкогенетические (эндогенные, автогенные) смены - возникают и протекают в резуль-

тате изменения среды самими растениями, что создает условия для внедрения и разрастания дру-

гих видов.

2.2 Антропогенные факторы, вызывающие стресс.

Понятие “стресс” - это состояние критической нагрузки, которое проявляется в виде спе-

цифического синдрома, который складывается из неспецифических изменений внутри биологиче-

ской системы. Стресс можно разделить на два типа. Эустресс характеризуется физиологическими

процессами, которые позволяют организму приспособиться к изменившимся условиям среды. Ди-

стресс - означает патологические процессы, при постоянных нагрузках, которые организм не в

состоянии регулировать короткое или длительное время.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные

факторы Среды (стрессоры), которые могут в зависимости от силы, интенсивности, продолжи-

тельности воздействия, более или менее сильно влиять на систему.

Факторы, вызывающие стресс, называют стрессорами. В естественных условиях организмы

часто подвергаются воздействию различных абиотических и биотических стрессоров. К ритмиче-

ски повторяющимся экстремальным условиям среды, например, холоду, засухе , жаре многие ор-

ганизмы приспособились путем изменения активности (спячка, анабиоз), что делает их устойчи-

выми к стрессу.

Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий при помощи

специфических приспособлений (избегание стресса) - это глубокое укоренение, уход в другие зо-

ны обитания.

Толерантность и избегание создают устойчивость к стрессу

Ход адаптации, т.е. приспособления к долго действующим экстремальным условиям среды

показан на рис. .

стабилизированное адаптированное

состояние состояние

устойчивое

состяние избыточная

реакция

Опасность антропогенных стрессоров состоит прежде всего в том, что биологические сис-

темы недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью,

что эти системы не успевают активизировать адаптационные процессы.

Контрольные вопросы

1. Екологические факторы и их классификация в биоиндикации.

2. Что такое предел выносливости? Схематическое представление «закона минимума» Ю.

Либиха, «закона толерантности» Шелфорда, «закона оптимума».

3. Какие виды называют эври- и стенобионтными? Какие из них являются лучшими био-

индикаторами?

4. Чем определяется индикаторная ценность вида?

5. Понятие «стресс». Виды стресса. Ход адаптации и устойчивость к стрессу.

Демонстративный материал к Лекции «Теоретические основы биоидикации»

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)

Демонстративный материал к Лекции «Теоретические основы биоидикации»

Классификация экологических факторов в биоиндикации

Первичные Комплексные

Тепло

Вода

Свет

Химизм

Механические

Климатические

Орографи ческие

Эдафические

Биотические

(2)

зона

оптимума

зона зона

гибель угнетения угнетения гибель

(1) (3)

интенсивность фактора

Рисунок Схема влияния экологического фактора

Ход адаптации, т.е. приспособления к долго действующим экстремальным условиям среды

показан на рис. .

стабилизированное адаптированное

состояние состояние

устойчивое

состяние избыточная

реакция

Лекция 1.

Биоиндикатор и объект биоиндикации

План

1. Определение и преимущества биоиндикации перед физико-хим. методами анализа

2. Основные принципы применения биоиндикации

3. Целесообразность биоиндикации, абсолютные и относительные калибровочные стан-

дарты

4. Уровни биоиндикации и принципы отбора биологических показателей для биоидикации

5. Понятие биоиндикатор

6. Чувствительность и достоверность биоиндикаторов

7. Требования к биоиндикаторам

1. Определение и преимущества биоиндикации перед физико-хим. методами анализа

Современные зарубежные и отечественные исследователи предлагают оценивать уровень

загрязнения на основе наблюдений за биологическими объектами, которые могут быть индикато-

рами загрязнений окружающей среды, их пространственного распределения, возможного накоп-

ления на значительных территориях.

У некоторых видов растений и животных изменяются особенности развития (скорость рос-

та, процесс цветения, образования плодов, интенсивность окраски и др.) в ответ на разные стрес-

сорные факторы. Эти свойства человечество заметило уже давно и использовало для практических

нужд.

Лишайники, например, способны накапливать радиоактивные элементы, микроэлементы,

содержание радионуклидов в них может быть в 10 раз выше, чем в травянистых растениях. Ли-

шайники накапливают газообразные и твердые вещества из атмосферы практически постоянно и

неограниченно. Поэтому, отслеживая процессы их накопления (отсутствия), можно оценить уро-

вень загрязнения среды. Например, биоиндикатором водной среды может быть фитопланктон. Его

чрезмерное развитие вызывает эвтрофикацию водоемов - повышение уровня первичной продук-

ции, обусловленное увеличением концентрации биогенных элементов, азота и фосфора, что при-

водит к гибели рыбы вследствие накопления чрезмерного количества азота и фосфора, которые

резко ускоряют развитие растений.

В днепровской воде выявленны моллюски, которые раньше существовали только в лиман-

ных водоемах Черноморского Побережья, что свидетельствует о резком повышение за последние

годы содержимого солей в Днепре. Локальными индикаторами пресных грунтовых вод в западных

лиманах и сухих руслах северного и западного Казахстана являются группировка мезофильних

злаков (мезофиты - растения, которые произрастают при среднем увлажнении умеренно теплом

режиме и достаточной обеспеченности минеральным питанием); постоянными индикаторами за-

соленных грунтов в западной Туркмении служат галофиты (солеустойчивые).

Биоиндикация – метод обнаружения и оценки абиотических и биотических факторов ме-

стообитания при помощи биологических систем.

Существует два основных метода биоиндикации: пассивный и активный.

Пассивная биоиндикация – исследование у свободно живущих организмов видимых или неза-

метных повреждений и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздей-

ствия.

Активная индикация или биотестирование - исследование тех же воздействий в стандартных

условиях на наиболее чувствительных к данному фактору организмах - тест-организмах .

Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с по-

мощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в

каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест – объектов. В роли тест –

объектов выступают организмы, используемые при оценке токсичности химических веществ,

природных и сточных вод, почв, донных отложений, кормов и др.

Тест – объекты - "датчики" сигнальной информации о токсичности среды и заменители

сложных химических анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности (ядо-

витости, вредности) среды.

Методами биоиндикации и биотестирования определяется присутствие в окружающей среде

того или иного загрязнителя по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чув-

ствительных к изменению экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение биологиче-

ски значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сооб-

ществ. Таким образом, применение биологических методов для оценки среды подразумевает вы-

деление видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Ме-

тодом биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных

условиях может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения степени

загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на окружающую среду.

Биоиндикация имеет определенные преимущества

как метод получения непосредственной

информации об изменениях состояния биоты в конкретных условиях загрязнения, но он должен

объединяться с химическими и геофизическими данными для получения не только качественных,

а и количественных сведений.

Этот метод имеет такие достоинства:

— измерение суммарного эффекта внешнего влияния;

— изучение влияния загрязнения на растения и животных;

— определение влияния в пространстве и времени;

— возможность применять профилактические средства.

Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают степень опасно-

сти соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и

для человека.

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить,

что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося

или происходящего загрязне-

ния окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характери-

стикам сообществ организмов.

Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими

именно факторами оно создано. Наиболее эффективно оценка окружающей среды может произво-

диться в сочетании абиотических и биотических параметров.

Физические или химические измерения

антропогенных факторов среды дают количественные

и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о биологическом

действии. Пользуясь инструментальными исследовательскими приемами, можно определить ха-

рактеристики воздуха, воды и грунта, но лишь на момент отбора проб.

Биоиндикация дает возможность получить информацию о биологических последствиях и сде-

лать косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими ме-

тодами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:

· суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и

отражают ее состояние в целом;

· выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей;

· позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы

и человека;

· дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком со-

единений;

· в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на

очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;

· фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;

· указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических сис-

темах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека;

· помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по

своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем за-

грязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических

зонах;

· делают необязательным применение дорогостоящих трудоемких физических и химиче-

ских методов для измерения биологических параметров; живые организмы постоянно присут-

ствуют в окружающей человека среде и реагируют на кратковременные и залповые выбросы

токсикантов, которые может не зарегистрировать автоматизированная система контроля с пе-

риодическим отбором проб на анализы

Существуют различные формы биоиндикации. Неспецифическая биоиндикация - одна и та

же реакция на многие факторы. Специфическая индикация – определенная реакция только на

один фактор.

Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то речь

идет о прямой биоиндикации.Однако нередко биоиндикация становится возможной только после

изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов. В этом случае

мы имеем косвенную биоиндикацию.

2. Основные принципы применения биоиндикации

При биоиндикации следует учитывать четыре основных требования (принципа):

1. Относительная быстрота проведения исследований. Биоиндикационные исследования

должны охватывать одну фенологическую фазу при сравнительно однородных метеорологических

условиях. При выпадении осадков необходимо переждать несколько дней для восстановления

уровня поллютантов в биоте. Биоиндикационные исследования с целью изучения закономерно-

стей миграции химического вещества по пищевым цепям рекомендуется проводить в период мак-

симальной биологической продуктивности сообществ.

2. Получение достаточно точных и воспроизводимых результатов.

3. Большое количество объектов биоиндикации с однородными свойствами. Отбор инди-

каторов с высокой встречаемостью и обилием. Биоиндикаторы должны быть хорошо изучены и

иметь на всей территории исследований однородные свойства.

4. Диапазон погрешностей по сравнению с другими методами тестирования не более 20%.

3. Целесообразность биоиндикации, абсолютные и относительные калибровочные стандарты

Часто понятие биоиндикации применяется в узком смысле для оценки антропогенных факто-

ров или факторов среды, испытывающих антропогенное влияние. Нас будут интересовать именно

такое применение. При этом мы будем рассматривать не оценку присутствия, концентрации или