Лекции - Биоиндикация и антропогенные стрессоры

Подождите немного. Документ загружается.

антропогенно нарушенных экосистемах обычно сопоставляют с фоновыми условиями или средне-

статистическими показателями.

Для оценки морфологической, анатомической и биоритмической изменчивости сравнение

может осуществляться по перечисленным параметрам в фоновых условиях, на территориях за-

казников и заповедников. Для растений эталонами могут быть гербарные коллекции, собранные

ранее в период, предшествующий техногенезу. При использовании показателей высших уровней

биоиндикации эталонами могут служить фондовые материалы лесо- и землеустроительных орга-

низаций, карты местности разных лет съемки, специальные тематические карты (карты почв, рас-

тительности, геологические, геоморфологические и др.).

8. Требования к биоиндикаторам

Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде

при низких концентрациях загрязняющих веществ. При этом используемые виды - биоиндикаторы

должны удовлетворять следующим требованиям:

· это должны быть виды характерные для природной зоны, где располагается данный

объект;

· организмы-индикаторы должны быть распространены на всей изучаемой территории

повсеместно;

· они должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на от-

клонение свойств среды обитания от экологической нормы;

· биология данных видов-индикаторов должна быть хорошо изучена.

А.М.Степанов (1988) называет следующие критерии при выборе биоиндикаторов:

1. широкий ареал;

2. эвритопность (эврибиотность);

3. оседлость;

4. антисинантропность;

5. индикационную пластичность;

6. достаточную биомассу;

7. простоту добычи и учета;

8. изученность вида и внутривидовых таксонов.

В соответствии с указанными критериями при биоиндикационных исследования рекомен-

дованы следующие млекопитающие: кроты Thalpa europaea, T. altaica; бурозубка Sorex arenius; по-

левки Clethrionomys glareolus, С. rutilus; куница Maries lupus соболь Maries ribellina, косуля Ca-

preolus capreolus, лось Alces alces, лисица Vulpu vulpus, песец Alopex lagopus, волк Canis lupus,

медведь Ursus arctos.

Наиболее показательными представителями почвенной мезофауны являются жужелицы

Carabidae, личинки жуков-щелкунов - проволочники Elateridae, костянки Lithobiomorpha, мертвое-

ды Silphidae, лесные рыжие муравьи Formica rufa, дождевые черви Lumbricus terrestris, наземные

моллюски Deroceras sp. и др.

С увеличением антропогенного воздействия на природную среду биогеоценозы претерпе-

вают глубокие изменения в своей структуре, функционировании и развитии, приводящие к на-

рушению экологического равновесия и в особо серьезных случаях - к полной деградации экоси-

стем. Высокой реакционной способностью в ответ на антропогенное или естественное воздейст-

вие обладает растительный покров. На изучении ответных реакций растительного покрова осно-

вываются на методах фитоиндикации, позволяющих установить степень загрязнения данного

района или степень нарушенности экосистемы. В качестве биоиндикаторов используются различ-

ные группы организмов, но наиболее часто применяют лишайники (лихеноинди кация), мхи (брио-

индикация) и высшие растения (особенно хвойные породы деревьев). Ведущая роль в биоиндика-

ции состояния окружающей среды принадлежит древесным растениям. Они способны поглощать

и нейтрализовать часть атмосферных поллютантов, задерживать пылевые частицы, а также инди-

цировать особенности загрязнения посредством разнообразия ответных реакций.

К числу преимуществ фитоиндикации перед инструментальными методами можно отнести

ее относительно низкую стоимость, высокую скорость получения информации и возможность ха-

рактеризовать состояние среды за длительный промежуток времени.

При проведении фитоиндикационных исследований, наряду с указанными выше крите-

риями при выборе биоиндикатора, необходимо соблюдать дополнительны рекомендации:

1. Изучать одновозрастные экземпляры.

2. Отбирать среднюю пробу с нескольких экземпляров растений (8-10 экземпляров).

3. Проводить отбор проб с одной высоты и по всей окружности кроны деревьев.

4. Оценивать проективное покрытие лишайников на стороне их максимального развития.

5. Проводить отбор проб на анализ содержания химических веществ по отдельным орга-

нам: листья, ветви, кора, древесина и т. д.

Исходя из названых критериев, рекомендованы следующие виды-фитоиндикаторы:

Древесные породы: сосна обыкновенная Pinus sylvestris; ели Picea abies, P. obovata;

березы Betula pendula, В. pubescens; липа Tilia cordata; дуб Quercus robur; тополь Populus sp.

Виды кустарникового яруса: ива Salix sp., шиповник Rosa sp., карликовая березка Betula па-

па.

Виды травяно-кустарничкового яруса: брусника Vaccinium vitis-idaea; черника V. myrtil-

lus; багульники Ledum palustre, L. decumbens. Из травянистых растений наибольшей индикаторной

достоверностью обладают: представители семейств сложноцветных Asteraceae, розоцветных Rosa-

ceae, губоцветных Lamiaceae, норичниковых Scrophulariaceae. Следует отметить, что большинство

видов осок (сем. Сурегасеае) и злаков (сем. Роасеае) индифферентны к поглощению химических

элементов - приоритетных поллютантов. Поэтому их не следует отбирать в пробы при биоиндика-

ционных исследованиях антропогенного загрязнения. В степной зоне видами-индикаторами мо-

гут служить: Salvia stepposa, Veronica incana, V. spicata, Phlomis I tuberosa, Artemisia austriaca,

A. Marschalliana и др.

Мохообразные, или бриофиты (Briophyta). Наиболее чувствительными и показательными

являются следующие виды мхов: Hylocomium splendens, Pleurozium schre-beri, Polytrichum

formosum, Hypnum cuppressiforme, Pseudoschleropodium purum, Rhy-tidiadelphus squarrosus.

Надежными индикаторами антропогенных воздействий зарекомендовали себя лишайники:

кладонии Cladonia alpestris, С. rangiferina, Cetraria islandica и др.

Контрольные вопросы

1.Визначте переваги методу біоіндикації над інструментальними методами

оцінки стану природного середовища.

2.З'ясуйте сутність біоіндикації. Основные методы биоиндикации.

3.Формы биоиндикации.

4.Сформулировать основные принципы биоиндикации.

5.Какие показатели можно использовать как абсолютные стандарты в биоин-

дикции?

6.Какие показатели можно использовать как относительные стандарты в био-

индикции?

7.Возможные варианты изменения выходых параметров биологческих систем

на антропогенное воздействие.

8.Специфическая и неспецифическая индикация.

9.Уровни биоиндикации, их характеристика – объекты, показатели.

10. Критерии при выборе биоиндикационных показателей.

11.Возможности и практическое значение биоиндикации.

12.Биоиндикация и шесть основных групп биологических дисциплин.

13.Понятие «биоиндикатор», классификация биоиндикаторов.

14.Прямая и косвенная биоиндикация. Примеры.

15.Положительные и отрицательные биоиндикаторы. Примеры.

16. Типы чувствительности биоиндикаторов. Ранняя и аккумулятивная биоин-

дикация.

17.Достоверность биоиндикации. Группы индикаторов по степени достоверно-

сти результатов, примеры.

18.Требования к биоиндикаторам, критерии отбора биоиндикаторов. Примеры.

19.Критерии к выбору биоиндикаторов при фитоиндикационных исследовани-

ях.

20.

Демонстративный материал к теме «Биоиндикатор и объект биоиндикации»

Иерархия структуры органического мира

Уровни

Ступени

Молекулярно-

клеточная

Организменная Надорганизменная

Низший

Молекулы одного

класса

Ткани Популяции

Средний Органоиды, клетки Органы, их системы

Биоценотические

комплексы

Высший Клетки Организмы Биоценозы

Схема целесообразности биоиндикации

x(t) s(t)

z(t) y(t) z

(t) y

(t ) x(t) z

(t ) y

(t)

s(t)

Не подвергавшийся Антропогенный пара - Биоиндикация при

воздействию входной метр s(t) через изменен антропогенно мо-

параметр х (t) через ный биологический эле- дифицированных

биологический эле- мент z

(t) приводит к входных парамет-

мент z(t) приводит к возникновению изме- рах

возникновению вы- ненного выходного па-

ходного параметра параметра y

(t )

y(t)

Классификация биоиндикаторов

Положительные, Прямые

Отрицательные косвенные

Специфические, Панареальные,

неспецифические Биоиндикаторы региональные,

локальные

Частные Аэрофотогеничные

Комплексные ультрадеципиентные

Демонстративный материал к теме «Биоиндикатор и объект биоиндикации»

Типы биоиндикации в зависимости от развития реакции во времени

ч ч

I IV

Cт cт

ч ч

IІ V

Cт ст

ч ч

IІІ VI

Cт ст

Шкала достоверности индикации

Число случаев (в % от N) Степень достоверности

Совместные

встречи

Индикатор встре-

чен вне объекта

индикации

100 0 Наивысшая (абсолютный индикатор)

90 10 Высокая (верный индикатор)

75-90 10-25 Достаточная (удовлетворительный ин-

дикатор)

60-75 25-40 Низкая (сомнительный индикатор)

60 40 Ничтожная (индикация невозможна)

Лекция 2

Биохимические и физиологические реакции на антропогенные стрессоры

План

1. Молекулярный уровень:

диагностическое значение биохимический и физиологических показателей;

регуляция обмена веществ и биоиндикация;

показательные повреждения молекулярного уровня

2. Клеточный уровень:

2.1 химический состав клетки;

2.2 состояние органоидов

2.3 хромосомные нарушения

1. Молекулярный уровень

Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принадлежащие к одному семейству

или отряду, a иногда и к разным таксонам, мы видим больше сходства, чем различия. Высокая

степень сходства молекулярно-клеточной организации и биохимических превращений по сравне-

нию с более высокими уровнями организации не может не удивлять. Это удается проследить при

переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. Заметные различия обнару-

живаются даже у близкородственных видов только при переходе на более высокие уровни органи-

зации (ткань, органы, организм).

Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, от-

носящихся к одному семейству или роду, при действии токсических веществ на молекулярном

уровне не будут сильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать ре-

зультаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом или организменном уровне.

1.1 Диагностическое значение биохимический и физиологических показателей;

С биоиндикацией тесно связаны динамическое равновесие и стабильность биологических

систем. Экосистемы весьма стабильны. При изменении факторов среды и под влиянием стрессо-

ров, т.е. при нагрузке, они могут переходить в другие стабильные состояния. Организмы тоже

способны в определенных границах адаптироваться к измененным условиям существования. В

меньшей степени это относиться к органеллам, таким как митохондрии или хлоропласты, а также

к биохимическим или физиологическим реакциям. Пределы их протекания относительно узки, по-

этому они весьма чувствительны к нарушениям.

На уровне организмов и экосистем воздействие стрессоров различимо благодаря появлению

внешних симптомов повреждений. Например, за реакцией индикаторных растений можно просле-

дить по возникновению определенного поврежедения (некроз, хлороз).

На клеточном и субклеточном уровнях воздействие стрессоров чаще всего скрыто от наблю-

дения.

Как синонимы в литературе широко используются понятия «физиологические повре-

ждения», «латентные повреждения», «тонкие повреждения». Однако при достижении опре-

деленных количественных параметров стрессора невидимые повреждения приводят к сниже-

нию продуктивности, появлению морфологической изменчивости или тератов и т. д. Е

сли не-

обходимо своевременно предотвратить необратимое изменение, то раннее распознавания именно

этих нарушений становиться решающим, т.к. чувствительные биохимические и физиологические

параметры “улавливают” очень незначительные концентрации стрессора. Кроме того, биоиндика-

ция на биохимическом и физиологическом уровне позволяет понять механизм действия стрессо-

ров:

- видимые симптомы какого-нибудь поврежедения - результат изменений в обмене ве-

ществ растений и животных;

- точное знание механизмов действия стрессора позволяет провести раннюю диагностику

нарушений;

- можно установить механизм адаптаций и предпринять защитные меры.

1.2 Регуляция обмена веществ и биоиндикация

Обмен веществ каждой живой клетки подчиняется следующим принципам:

– привязан к молекулярным и надмолекулярным структурам;

– организован по типу функциональной и структурной иерархии;

– высокоэкономичен;

– способен к саморегуляции.

Его задачи можно свести к следующим:

– поставка энергии в форме АТФ, необходимой для многочисленных реакций;

– поставка предшественников - мононуклеотидов, аминокислот, моносахаридов - для синтеза

нуклеиновых кислот, белков, углеводов;

– биосинтез биомакромолекул – ферменты, гормоны, пигменты, резервные вещества.

За все процессы обмена веществ в первую очередь несут ответственность нуклеиновые кисло-

ты (носители генетической информации) и белки (ферменты и структурные элементы). Необходи-

мо, чтобы эти макромолекулы функционировали с соответственной скоростью.

Регуляция обмена веществ осуществляется с помощью многочисленных ферментов, поэто-

му наиболее чувствительные из них могут быть важными индикаторами нарушений. Стрессоры

прежде всего воздействуют на активность и количество ферментов.

1.3 Показательные повреждения молекулярного уровня

Для биоиндикации решающее значение имеют действия стрессоров на следующие этапы об-

мена веществ:

концентрация макромолекул (например, изменяется количество ферментов);

активность макромолекул (например, ферментативная) - в целом отмечается увеличение их

активности при низких концентрациях загрязняющих веществ и снижение - при высоких.;

снижение энергетического баланса;

нарушение процесса фотосинтеза;

продуцирование веществ с защитными функциями (например, пролина), увеличение сахарозы

и фруктозы с целью самозащиты;

преждевременное включение механизмов старения организма: характерным признаком яв-

ляется увеличение содержания гормонов, регулирующих созревание плодов, старение и опаде-

ние листвы и т.д. (этилен, абсцизовая кислота и др.);

Остановимся более подробно на биоиндикационных признаках молекулярного уровня

Концентрация (количество) ферментов, пигментов

а) хлорофилл - в качестве биоиндикаторного признака у растений используют уменьшение

содержания хлорофилла, уменьшение соотношения хлорофиллов а и б, увеличение содержания

феофитина. Снижение содержания зеленых пигментов в листьях может происходить вследствие

разрушения хлорофиллов и превращения их в феофитины под влиянием стрессоров, которые воз-

действуют на ферменты катализирующие образование этого пигмента.

б) соотношение каротиноидов – листьях и хвое, подвергшихся действию фотоокислителей

(фотохимического смога) и газодымовых выбросов двуокиси серы, содержание лютеина повыша-

ется, а бета-каротина снижается.

в) металлотионеины - процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов

идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками; при действии ртути в концентрации 5

мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях; при

действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому,

что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами

г) стероиды - обнаружена достоверная корреляция между влиянием сублетальных концен-

траций некоторых загрязняющих веществ и концентрацией стероидных гормонов у птиц, рыб и

морских млекопитающих. Сублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на

ферментные системы, ответственные за стероидогенез, который в свою очередь определяет функ-

ционирование гомеостатического механизма животных.

Ферментативная активность

За биохиическими и физиологическими реакциями на антропогенные стрессоры можно сле-

дить по изменениям активности определенных ферментов. Они могут быть индикаторами нару-

шений обмена веществ. SO

, например, реагирует с SH - группами белка в составе фермента и раз-

рывает их.

а) глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа - является ключевым ферментом прямого окисления глю-

козы, реагирует повышением активности на различные виды стресса; повышение активности вле-

чет за собой переключение на энергетически невыгодное расщепление глюкозы по пути гликоли-

за;

б) ферменты аминокислотного обмена также изменяют свою активность, в результате чего

усиливается распад белков и снижается их синтез;

в) пероксидазы – их активность повышается в ответ на усиление образования токсичных пе-

рекисей Н

под действием стрессоров; определение этой активности позволяет выявить нару-

шения обмена веществ, возникающее под действием фтористых, транспортных, содержащих дву-

окись серы или озон газодымовых выбросов.

г) оксигеназы со смешанной функцией - цитохром P-450 - гемопротеид, содержащийся в

оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к универсальной молекуле. Она обна-

ружена у бактерий, высших растений и млекопитающих. Наряду с основными функциями цито-

хром; P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных

условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функцией у организмов, взятых в каче-

стве пробы из естественных популяций, может свидетельствовать о хроническом или остром за-

грязнении нефтепродуктами.

Энергетический баланс.

Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать количество химически

связанной энергии, запасенной в пуле адениновых нуклеотидов и доступной в данный момент для

метаболических процессов в организме. Энергетическое состояние клетки характеризуют с помо-

щью “знергетического заряда”и определяется по формуле:

[

]

[

]

[ ][ ][ ]

э.э =

АТФ Д

АТФ АДФ АМФ

+ +

05,АФ

Это отношение представляет собой важный контрольный критерий и меру жизнеспособно-

сти системы. Благодаря механизмам регуляции обмена система АТФ - АДФ - АМФ относительно

стабильна. Установлено, что активность одних ферментов зависит от концентрации АТФ, актив-

ность других определяется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ;

АТФ/АДФ. Установлено отрицательное влияние стрессоров на образование АТФ. При действии

стрессора “энергетический заряд” снижается с 0,8 до 0,2: снижение его значения до 0,5-0,75 озна-