Лекции - Биоиндикация и антропогенные стрессоры

Подождите немного. Документ загружается.

Резкое отклонение физиологических индикационных признаков и почти фоновое значение

экологических свидетельствуют о ранних стадиях нарушения экосистем. На стадии структурного

нарушения экосистем экологические и физиологические признаки достигают почти одинаковых

отклонений и они пропорциональны. О функциональном нарушении экосистем свидетельствует

превышение отклонений экологических признаков над физиологическими. На этом этапе физио-

логические признаки уже не меняются, более качественная оценка получается за счет экологиче-

ских признаков.

Комбинацией разных фито- и эооиндикаторов на двух системных уровнях можно оценить

постепенные и очень мелкие изменения в состоянии экосистем. И при четком наборе характерных

для изучаемой территории ключевых участков можно оценить и более крупные географические

единицы и составить карту состояния окружающей среды. На основе карты и оценочных шкал

можно в будущем очень быстро оценить состояние любой экосистемы соответствующего типа

данного региона или при наличии фоновых экосистем и других регионов и дать рекомендации об

оптимальной хозяйственной деятельности на данной территории.

Контрольные вопросы

1. Отбор показательых видов на популяционном уровне биоиндикации

2. Показатели популяционного уровня биоиндикации.

3. Воздействие антропогенных стрессоров на динамику растительных популяций

4. Воздействие антропогенных стрессоров на характер распространения растений

5. Показательные признаки экосистемного уровня

6. Метод комплексной биоиндикации, его этапы и преимущества

7. Экологические индексы, используемые в методе комплексной индикации (индекс Шен-

нона, идекс домиантности, индекс сходства)

8. Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной индикации

Демонстративный материал к теме «Биоиндикация на высших иерархических уров-

нях: популяция, экосистема, биоценоз»

Физико- и экономико- Антропогенное воздействие

географическая

структура района

Определение однородных

географических единиц

Выбор и характеристика Выбор биоиндикатора

ключевых участков

Биоиндикационное

исследование

Сбор дополнительной

информации

Оценка состояния экосистем

по состоянию индикаторов

(оценочные шкалы)

Классификация состояния

окружающей среды

(карта)

Рисунок - Логическая схема исследований по методу комплексной биоиндикации

Демонстративный материал к теме «Биоиндикация на высших иерархических уров-

нях: популяция, экосистема, биоценоз»

Индикаторы и индикационные признаки для метода комплексной биоиндикации

Уровень Популяция Индивид

Индикатор Индикационные

признаки

Индикатор Индикационные при-

знаки

Фито - - Sambuchi nigra

Zea nays

Hordeum vulgare

Биомасса

Растворимые белки

Фермент пероксидаза

Содержание тяж. мет.

Зоо Жуки

Coleoptera

Carabidae

Staphylinidae

Птицы

Passeriformes

Дождевые черви

Lumbricidae

Численность рода

Численность видов

Количество видов

Сезонная динамика

Биомасса

Экологич. индексы:

разнообразия

сосредоточения

доминантности

подобия

Грызуны

Microtus

Apodemus

Вес особей

Вес органов: печень,

почки

Гематокрит

Фермент церулоплаз-

мин

Содержание тяжелых

металлов

Рисунок - Модель оценочной шкалы в методике комплексной биоиндикации

1 – количество видов; 2 – численность; 3 – биомасса; 4 – вес органов; 5 – активность фер-

ментов

Лекция 5

Методы биоиндикационных исследований

План

1. Фитоиндикационные методы

1.1 Дендроиндикация

1.2 Лихеноиндикация

2. Методы биотестирования

1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной среды

Индикаторные возможности растений издавна используются в решении прикладных за-

дач. С увеличением антропогенной нагрузки на экосистемы расширяется область применения

фитоиндикационного метода. Растительный покров чутко реагирует на изменение природных

факторов окружающей среды и антропогенное влияние. Широко используются различные пара-

метры развития живых организмов от молекулярного до ландшафтного уровня. Изучаются био-

химические, физиологические, анатомо-морфологические изменения, популяционные и видовые

особенности растений, флористический состав и структура сообществ, границы и пространст-

венное распределение фитоценозов. Наиболее существенными на клеточно-организменном

уровне являются изменение проницаемости мембран, активности ферментов, разрушение белка,

нарушение фотосинтетической деятельности, минерального, липидного и углеводного обменов и

др.

Предложены показатели состояния растительного покрова для выявления чрезвычайной

экологической ситуации, экологического бедствия или относительно удовлетворительной обста-

новки (таблица).

Таблица - Состояние растительности как индикатора экологического состояния территории

Показатели Параметры

Экологическое

бедствие

Экологический

кризис

Относительно удов-

летворительная си-

туация

Уменьшение биоразнообразия (индекс

разнообразия Симпсона), % от нормы

Более 50 25-50 Менее 10

Плотность популяции вида-

индикатора

антропогенной нагрузки, % от нормы

Более (менее)

20-50

Более (менее) 20

Площадь коренных или ква

зикоренных

ассоциаций, % общей площади

Менее 5 Менее 30 Более 80

Продолжение таблицы

Показатели Параметры

Экологическое

бедствие

Экологический

кризис

Относительно удов-

летворительная си-

туация

Видовой состав естественной травя-

нистой растительности

Уменьшение

обилия вто-

ричных видов

Господствую-

щие виды сме-

нились на вто-

ричные

Естественная смена

доминантов, субдо-

минантов и харак-

терных видов

Возрастной спектр ценопопуляции до-

минантов, возобновление в отн. ед.

Менее 0,1 0,1-0,3 Более 0,5

Лесистость, % от оптимальной (зональ-

ной)

Менее 10 Менее 30 Более 90

Запас древесины основных лесообра-

зующих пород, % от нормального

Менее 30 30-60 Более 80

Повреждение древостоев техногенными

выбросами, % от общей площади

Более 50 30-50 Менее 5

Повреждение хвойных пород техноген-

ными выбросами (поврежде-

ние хвои),

Более 50 30-50 Менее 5

Заболевание древостоев, % Более 50 30-50 Менее 10

Гибель лесных культур, % от площади

лесокультурных работ

Более 70 50-70 Менее 5

Площадь гари, не облесившейся в тече-

ние 10 лет

Более 10 тыс.

га

5-10 тыс. га

Площадь посевов, поврежденных вре-

дителями, % от общей площади

Более 50 20-50 Менее 10

Гибель посевов, % от общей площади Более 30 15-30

Менее 5

Проективное покрытие пастбищной су-

хостепной и полупустынной расти-

тельности, % от нормальной

Менее 10 10-50 Более 80

Продуктивность пастбищной раститель-

ности, % от потенциальной

Менее 5 5-30 Более 80

Изменение ареалов редких видов Исчезновение

ареала

Разделение и со-

кращение пло-

щади ареала

Отсутствует

Повреждения растительности заповед-

ников

Смена форма-

ций

Смена ассоциа-

ций

Фенотипические, без

смены ассоциаций

Площадь зеленых насаждений (на чело-

века) в крупных городах и про-

мышленных центрах, % от норма-

тивного

Менее 10 10-30 Более 90

Существуют различные классификации биоиндикационных показателей, на основании их

обобщения принята следующая иерархическая система признаков (таблица).

Таблица - Классификация фитоидикационных признаков

ФИТОИНДИКАЦИЯ

Физиологические и био-

химические признаки

Морфологические

признаки

Флористические при-

знаки

Фитоценотические

признаки

1. Химический состав

растений.

1. Ксероморфность.

1. Специфическая

флора.

1. Продуктивность со-

общества.

2. Активность основных

физиологических про-

цессов (фотосинтез, ды-

ха-ние и др.)

2. Размеры растений

и отдельных органов,

ежегодный прирост и

т.д.

2. Присутствие-отсут-

ствие индикаторного

вида.

2. Сомкнутость и

проективное покры-

тие сообщес-тва, яру-

сов, пологов.

3. Содержание пигмен-

тов.

3. Хлороз и некроз. 3. Индикаторные плея-

ды видов.

3. Анализ доминан-

тов, эдификаторов со-

общества.

4. Изменение активнос-

ти ферментов и т. д.

4. Суховершинность. 4. Обилие и продук-

тивность индикатор-

ного вида.

4. Экобиоморфный

состав со

общества и

ярусов.

5. Изменение окрас-

ки.

5. Дендро-, брио-, ли-

хеноиндикация и т. д.

5. Вертикальная и го-

ризонтальная струк-

тура сообщества.

6. Тераты и т. д. 6. Границы зональ-

ных, интра- и азона-

льных фитоценозов.

7. Площади зональ-

ных, интра- и азона-

льных фитоценозов.

К числу наиболее распространенных методов оценки состояния окружающей среды по раз-

личным параметрам индикаторных видов, а также по структуре и строению растительных сооб-

ществ относятся:

— анализ химического состава растений для оценки взаимосвязи химического состава

живой и неживой природы, трансформации химических элементов по звеньям пищевой цепи и

др.;

—морфологический метод - изучение внешнего облика растений и его изменений под дейст-

вием внешних факторов;

— флористический метод - исследование особенностей видового состава, индикаторных

видов, характера распространения и динамики ареала, популяционный анализ и др.;

— спектрофотометрический - исследование спектрального отклика растений и раститель-

ности на загрязнение окружающей среды;

— фитоценотический - состоящий из ряда методик изучения состава, вертикальной и го-

ризонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия,

обилия и проективного покрытия показательных групп видов, анализ продуктивности, анализ жиз-

ненного состояния ярусов и др.;

— лихеноиндикация — изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;

— бриоиндикационный метод - изучение и анализ мохового покрова;

—дендроиндикация - изучение и анализ древесной растительности.

Дендроиндикация

Дендроиндикация - это метод биоиндикации, позволяющий на основе анализа характери-

стик древесного яруса и полога подроста (радиальный и линейный прирост, продолжительность

жизни хвои, наличие некроза и хлороза, жизненное состояние древостоя и т. д.) судить о состоя-

нии природной среды. Древесные растения наиболее часто выбираются для биоиндикационных

исследований в силу их высокой индикаторной значимости.

Ведущая роль в биоиндикации состояния окружающей среды принадлежит древесным

растениям. Они способны поглощать и нейтрализовать часть атмосферных поллютантов, задер-

живать пылевые частицы, а также индицировать особенности загрязнения посредством разнооб-

разия ответных реакций. Реакция древесных пород на загрязнение окружающей среды сущест-

венно различается. Установлено, что, чем больше рекреационное воздействие или техногенная

нагрузка на лесные экосистемы, тем разнообразнее моховой покров. Для чистых территорий ха-

рактерны 4-5 видов мхов.

Существует бриоиндикационная методика Е. Н. Андреевой (1990), основанная на индикаци-

онных возможностях бриоценоморф. Под бриоценоморфой понимается экологически связанный

между собой комплекс видов мхов, образующих систему, в которой целостные множества особей

выступают как пространственно-ценотическая единица мохового покрова. При выделении бриоце-

номорф на первое место выступают внутренние связи, которые возникают между особями (одного

или разных видов) (в результате их совместного роста, что и определяет внешний вид дерновин-

ки. Характерным признаком незагрязненных таежных лесов является развитие бриоцено-

морфы Pleurozium schreberi + Hylocomium splendens. Например, нарушения, вызванные рекреа-

ционной нагрузкой, фиксируются структурными изменениями в моховом ярусе: он не образует

сплошного покрова, сильно разрежен и отличается увеличением видового состава бриоценоморф

при сокращении занимаемых площадей. Е. Н. Андреевой был сделан вывод, что при изменении

условий природной среды происходит приспособление к новым условиям не отдельных видов, а

бриоценоморф, которые фиксируют степень повреждения мохового покрова, но не указывают на

причины, его вызывающие.

Лихеноиндикация.

Биологические реакции на антропогенное воздействие отчетливо прослеживаются при ис-

следовании лишайников. Практическое значение этой группы организмов определяется высокой

чувствительностью к изменению химического состава атмосферного воздуха. Они отвечают ос-

новным требованиям, предъявляемым к индикаторным видам. Прежде всего, лишайники распро-

странены по всей поверхности суши, хотя и неравномерно. Они играют доминирующую роль во

многих экосистемах полярных и жарких пустынь, высокогорий. Напочвенные и эпифитные ли-

шайники являются важным компонентом лесных сообществ. Они часто образуют большую биомас-

су и играют существенную роль в круговороте веществ в биогеоценозах.

Отсутствие кутикулярного слоя обеспечивает свободное поглощение воды и химических

соединений в организм лишайника практически всей поверхностью. Среди лишайников имеются

чувствительные виды, исчезающие уже при небольшом загрязнении. В то же время есть виды со

средней и относительно высокой устойчивостью к загрязнению. Устойчивые к антропогенным

воздействиям лишайники накапливают в своих слоевищах различные химические элементы, что

указывает на загрязнение среды этими элементами. По сравнению с высшими растениями лишай-

ники концентрируют в 5 раз больше Fe, в 2-3 раза больше Pb, Cd, Hg и других химических

соединений.

Кроме того, лишайники являются достаточно хорошо изученным таксоном низших растений,

хотя многие из них трудны для определения в полевых условиях. Лишайники издавна используют-

ся в мониториговых исследованиях экологического состояния городов и антропогенно нарушенных

территорий. Определены основные факторы, определяющие зависимость развития лишайниково-

го покрова от условий местообитания. К ним относятся:

расположение на стволе,

угол наклона,

высота над землей и экспозиция;

возраст дерева (так как по мере его роста происходит увеличение поверхности ствола и време-

ни для заселения его лишайниками) и условия увлажнения.

Чаще всего метод лихеноиндикации применяется для оценки уровня аэротехногенного за-

грязнения. Под воздействием поллютантов у лишайников отмечается ряд изменений на разных

уровнях.

На биохимическом и физиологическом уровне происходит

торможение фотосинтеза,

подавление интенсивности дыхания,

уменьшение жизнеспособности диаспор лишайника и др.

У лишайников практически отсутствуют механизмы регуляции процессов обмена с окружаю-

щей средой, так что они беспрепятственно поглощают различные химические вещества из атмо-

сферного воздуха. Специфичным при этом является накопление поллютантов в организме, указы-

вающее на качественный состав загрязнений и интенсивность антропогенной нагрузки. Их со-

держание в талломе зависит от времени воздействия, от концентрации поллютантов в атмосфер-

ном воздухе, от удаленности от источника эмиссии, от степени увлажненности таллома и т. д.

Морфологические изменения выражаются в модификации характера поверхности таллома и

типичной окраски. При этом значительно уменьшаются размеры слоевищ, отмечаются пролифи-

кация апотециев и некроз талломов.

Разработана шкала жизненности лишайников, основанная на оценке степени развитости

слоевища и способности к репродуктивным процессам:

fl - фертильное, пышно развитое слоевище;

f2 - фертильное, нормально (средне) развитое слоевище;

f3 - фертильное, недоразвитое слоевище;

s4 - стерильное, пышно развитое слоевище;

s5 - стерильное, нормально развитое слоевище;

s6 - стерильное, недоразвитое слоевище.

Простым и часто используемым параметром, применяемым для оценки чистоты атмо-

сферного воздуха, является проективное покрытие индикаторных видов. Загрязнение воздуха

приводит к снижению проективного покрытия и в конечном счете к образованию так называе-

мой лишайниковой пустыни.

Используются такие показатели, как:

- показатель обилия-плотности - в соответствии с предложенной методикой пробная

площадь разбивается на квадраты, на которых по 5-балльной шкале определяются обилие и

плотность лишайников. Для каждого вида рассчитывается показатель обилия-плотности:

видовj

10)(

= ,

где L - число относительного обилия, D - относительная плотность, N - число квадратов.

— индекс чистоты атмосферы , вычисляемый по формуле

()

IAP

где п - число видов на участке, f - частота встречаемости или проективное покрытие вида, Q

- экологический индекс видов - среднее число видов, растущих с исследуемыми видами в ареале.

Величины встречаемости и проективного покрытия выражаются в соответствии с 5-балльной

шкалой:

5 - виды с очень высокой частотой встречаемости и высокой степенью проективного покры-

тия на большинстве деревьев;

4 - виды с высокой частотой встречаемости и высокой степенью проективного покрытия;

3 - виды, встречающиеся не часто или имеющие среднюю степень проективного покрытия;

2 - виды, встречающиеся очень редко и имеющие низкую степень проективного покрытия;

0 - виды очень редкие с очень низкой степенью проективного покрытия.

—индекс чистоты воздуха:

ИЧВ = п + 0, 1(P

+ Р

) + Н

, + Н

+ D

где п - - число видов лишайников на пробной площади, Р - процент заселения хвойных (1) и

лиственных (2) пород, Н - высота заселения деревьев (см), D - плотность заселения коры деревьев

(баллы от 0 до 10). Была разработана шкала зависимости величины значений индекса от величи-

ны среднегодовой концентрации загрязнений в воздухе.

В целом можно сделать следующие выводы о лихеноиндикационном методе оценки аэро-

техногенного загрязнения.

• Лишайники являются хорошими индикаторами загрязнения атмосферного воздуха, отве-

чающими основным требованиям к биоиндикаторам.

• Использование метода требует хорошей изученности экологии лишайников, так как при

оценке уровня загрязнения необходимо учитывать видоспецифические требования к местообита-

нию и индивидуальные особенности видов лишайников.

• При оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха необходим строгий учет всех фак-

торов воздействия, а не только антропогенных. Такие природные факторы, как освещенность, сте-

пень увлажнения таллома, экспозиция лишайников на стволе, господствующие ветры, играют

важную роль в жизнедеятельности лишайников и во многом определяют их чувствительность к

поллютантам.

• Применение метода лихеноиндикации несколько ограничено в крупных городах, где час-

то присутствуют зоны «лишайниковой пустыни» (зоны с полным отсутствием лишайников).

2 Методы биотестирования

Биотестированием называется метод определения степени токсического воздействия фи-

зических, химических и биологических факторов среды, потенциально опасных для живых орга-

низмов данной экосистемы. Биотестирование осуществляется экспериментально в лабораторных

или в естественных условиях путем регистрации изменения биологически значимых показателей