Лекции - Биоиндикация и антропогенные стрессоры

Подождите немного. Документ загружается.

исследуемых природных или природно-техногенных объектов с последующей оценкой их состоя-

ния в соответствии с выбранными критериями токсичности.

Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, дрожжи, простейшие, водоросли,

пиявки, моллюски, рыбы и т.д. Кроме того, наравне с целостными организмами в качестве

тест-объектов выступают отдельные органы, ткани или клетки. Биотест ставится на определение

общей токсичности, на мутагенность и канцерогенность. В первом случае фиксируются показате-

ли гибели организмов, морфологические нарушения, морфофункциональные изменения и от-

клонения в их поведении и двигательной активности. Изучение мутагенности и канцерогенно-

сти проводится посредством кратковременных тестов по фиксации хромосомных повреждений,

генных мутаций и повреждений ДНК с оценкой опасности вещества.

Воздействие на тест-объект может осуществляться посредством имитации возможных пу-

тей поступления вредного вещества в организм. Основными тестируемыми средами являются

вода, реже атмосферный воздух. Возможно также изучение опосредованного воздействия на тест-

объект твердых компонентов окружающей среды: почв, донных осадков, грунтов. В этом случае

используют поровые воды этих сред или водные вытяжки из них, получаемые с использованием

общепринятых методик. Кроме того, биотесты могут проводиться в фазе взвешенных частиц. Од-

нако основным объектом применения методов биотестирования являются все же сточные и при-

родные воды.

В последние годы методы биотестирования стали активно применяться при оценке качества

морской среды. В первую очередь это связано с масштабным освоением нефтеуглеводородных

ресурсов континентального шельфа и материкового Мирового океана. Тесты направлены на

оценку качества морской среды, а также токсичности промышленных и буровых вод и буро-

вых шламов. При этом наиболее сложной проблемой тестирования морской среды остается вы-

бор тест-объектов, которые в уже сложившейся практике биологического контроля представлены

в основном пресноводными формами организмов. Поэтому в настоящий период при проведении

биотестирования морской среды предпочтение отдается видам, естественно обитающим на дан-

ных акваториях.

В основе методики биотестирования лежит сравнение тестируемых образцов с контроль-

ными пробами в течение определенного времени. При этом могут проводиться эксперименталь-

ное биотестирование (до нескольких часов), оценка токсического воздействия (в течение 1-3 су-

ток экспозиции), хронического токсического воздействия (через 7-10 суток экспозиции), а также

прогноз отдаленных последствий (через 2-3 недели экспозиции). Всего к настоящему времени раз-

работано более 50 стандартов.

Наиболее часто используемыми тест-объектами является рачок Daphnia magna, который

применяется при контроле токсичности сточных вод и выявлении источников загрязнения. Широ-

кую апробацию получили тесты на поведенческие и физиологические реакции рыб (метод рыбной

пробы), в частности на реакцию ухода рыбы из опасной зоны. В качестве показателей токсично-

сти среды используются также изменения двигательной функции пиявок, реакции закрытия ство-

рок моллюсков, скорости потребления кислорода голотурии и др.

Для определения токсичности природных пресных вод и донных отложений, сточных вод

и отработанных буровых растворов рекомендовано применение методик биотестирования по

снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum, снижению прироста

количества инфузорий Ttlrahymena, pyriformis, угнетению роста пресноводных водорослей Scene-

desmus quadricauda, гибели ракообразных Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis, выживаемости и

плодовитости ракообразных Ceriodaphnia affinis, гибели рыб гуппи РоесгШа reticulata.

Оценку токсичности морских вод и донных отложений, сточных вод разной степени соле-

ности и отработанных буровых растворов, сбрасываемых в морские воды, рекомендуется прово-

дить с помощью методик биотестирования по угнетению роста одноклеточных морских водорос-

лей Phaeodactilum tricomutum, гибели ракообразных Artemia salina и рыб РоесгШа reticulata, сни-

жению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum.

Для комплексного экологического мониторинга изменения морской среды в районах разра-

ботки морских нефтегазовых месторождений используют тест-реакции бактерий, простейших,

одноклеточных водорослей, макрофитов, зоопланктона и макробентоса (таблица).

Таблица - Рекомендуемые группы и виды морских организмов и их тест-реакции для ис-

пользования при биотестировании

Группа и вид тест-организмов Тестируемая среда Тест-реакция и показатель

Гетеротрофный микропланктон, бакте-

рии

Вода, поверхностный

микрослой толщи-

ной

около 1 мм

(ПМС)

Изменение динамики БПК, ви-

дового доминирования, ско-

ро

сти разрушения субстратов,

мутагенной активности

Простейшие (Stylonichia mytilis, Tmtin-

nopsis biroidea, Noctiluca

seintillans,

Cristigera)

Донные осадки, по-

ровые воды, элю-

аты, шламы, стоки

Снижение выживаемости, изме-

нения темпов размножения и

скорости роста, нарушения по-

движности и морфологии

Одноклеточные водоросли, ре-

гиональные доминанты (Coscinodiscus

Ditylum, Gyrodinium, Exuviella и др.)

Вода, стоки

Изменение скорости деления и

численности клеток, нарушения

интенсивности фотосинтеза

и флуоресценции, аномалии

пигментного состава и др.

Макрофиты (Laminaria, Macroсу

stis

pyrifera и др.)

Вода, стоки Изменение скорости роста, на-

ру

шения оседания зооспор,

морфологические и электро-

физиологические аномалии

Зоопланктонные фильтраты (Acartia

Eurotimora, Tigriopus, Calanipeda, Arte-

mia salina и др.)

Вода, ПМС, стоки Снижение выживаемости и пло-

довитости, нарушение вос-

производства, поведения и тро-

фической активности, мор-

фологические и другие анома-

лии

Рыбы (икра, личинки, молодь) (Salmo

gairdner, Tmchurus trachurus, Limanda

limanda, Gadus morhua, Scophthalmus

maximus, Sprattus sprattus, Spicara sma-

ris и др.)

Вода, ПМС, стоки Повышение смертности и часто-

ты морфологических аномалий,

нарушения питания, роста, ды-

хания, поведения, физиологиче-

ских и других показателей

Макробентос (взрослые эмбрионы, ли-

чинки) (Mytilus edulis, Crassostrea

gigans, Macoma, Echinocardium, Arenico-

la и др.)

Вода, ПМС, донные

осадки, стоки, шла-

мы

Снижение выживаемости, нару-

шение размножения, замедление

роста, поведенческие, физиоло-

гические и другие отклонения

от нормы

Для оценки устойчивости растений к повышенному содержанию в среде ТМ в ,, лабора-

тории экологии растительных сообществ Ботанического института РАН разработана модификация

метода корневого теста (Алексеева-Попова, 1985, 1991). Благодаря простоте и оперативности (экс-

прессности), достаточно высокой чувствительности он занимает первое место среди вегетативных

опытов. Это экспресс-метод определения устойчивости объектов на проростках в течение 2-3 не-

дель: состав контрольного раствора позволяет выращивать растения разных таксонов и опробо-

вать большой диапазон концентраций металлов. В условиях одного опыта возможна оценка специ-

фичности действия отдельных металлов, а также сравнение устойчивости разных видов и попу-

ляций одного вида к определенному металлу. Под воздействием токсичных концентраций ТМ на-

блюдается ингибирование ростовых процессов, Снижение прироста корней коррелирует с концен-

трацией металлов. Реакция корней ярко проявляется даже на незначительное увеличение дозы ме-

талла. С помощью метода корневого теста установлены меж- и внутривидовые различия устойчи-

вости к Cu, Ni, Mn, Zn, Pb, Cd растений различных систематических таксонов (злаков сем. Роасеае:

пшеницы, овса, ячменя; двудольных: сем. бобовых Fabaceae, сем. Kpестоцветных Brassicaceae, сем.

сложноцветных Asteraceae, сем. губоцветных Lamiacea и др.). Результаты проведенных лаборатор-

ных исследований позволяют рекомендовать метод корневого теста для выделения металлоустой-

чивых популяций видов, пригодных для выращивания на сельхозугодьях в загрязненных услови-

ях, а также для рекультивации нарушенных земель.

В последние годы практикуется проведение биотестирования с несколькими тест-

организмами одновременно, например с аквариумными рыбками гуппи, моллюсками и рачками

дафнии. При этом используются следующие критерии: при гибели 50% одного организма вода

оценивается как слабо токсичная, а в случае 50% гибели всей группы тест-объектов - как сильно

токсичная.

Биотестирование является значительно более оперативным способом оценки качества вод и

может использоваться при проведении экологического контроля. Этот способ менее дорогостоящ,

а методы его проведения и результаты более доступы для понимания неспециалистом.

В целом метод биотестирования при оценке уровня токсичности среды, как дополняющий

химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств:

1) тест-объект, как правило, реагирует на относительно слабые антропогенные нагрузки

вследствие эффекта кумуляции дозы вредного воздействия;

2) в тесте суммируется действие всех без исключения биологически вредных антропоген-

ных факторов, включая физические и химические воздействия;

3) по результатам тестов достаточно надежно вскрываются тенденции изменения ситуации в

окружающей среде.

Однако выявлен и целый ряд трудностей применения обсуждаемого метода. Существенной

проблемой использования простейших организмов является их несопоставимость с многоклеточ-

ными, реакция которых на те же самые изменения в водной среде может быть отличной. Так, на-

пример, для инфузории реакция на ТМ отмечается уже при концентрациях на несколько порядков

ниже ПДК в воде. В отношении биогенных соединений все наоборот: реакция проявляется при

концентрациях, на несколько порядков превышающих ПДК. Кроме того, недостатками метода яв-

ляются низкая надежность, сложность трактовки результатов и их переноса с одного вида на дру-

гой, отсутствие разработанных оценочных шкал. Все это сильно осложняет процесс стандартиза-

ции метода, без чего сам механизм государственного тестового контроля отладить практически

невозможно.

Во избежание хотя бы части перечисленных трудностей в последние годы специалистами

предлагаются новые научно-методические подходы к выбору тест-организмов на основе эволюци-

онных, физиологических, психо-поведенческих и других особенностей (Зайцева, Ковалев, 1994).

Суть этих предложений заключается в учете основных особенностей адаптационных процессов и

данных о чувствительности и резистентности тест-организмов, во введении в практику биотести-

рования элементов этологического анализа, а также правильность определения сроков тестирова-

ния. По перечисленным критериям наиболее подходящими являются беспозвоночные гидробио-

нты (ракообразные и брюхоногие моллюски), обладающие достаточно высоким уровнем организа-

ции. В отношении тестирования донных осадков в качестве тест-объектов рекомендуются донные

беспозвоночные (Гудимов, Гудимова, 2002). Обосновывается целесообразность одновременного с

общей оценкой токсичности вод проведения тестов на загрязняющие вещества. В этом случае мо-

гут быть использованы свойства некоторых организмов реагировать на конкретные поллютанты.

Серьезные усилия необходимо приложить к разработке единых шкал биологической оценки ток-

сичности сред.

Верификация комплекса биоиндикационных методов для оценки состояния окружающей

среды может проводиться как в лаборатории в условиях контролируемого эксперимента, так и с

помощью различных статистических приемов оценки достоверности взаимосвязи индикатора с

объектом индикации. К их числу относятся регрессионный, факторный и кластерный анализы.

Выбор метода зависит от конкретных задач и масштабов индикационной оценки территории.

Таким образом, в настоящее время разработано и широко используется в практике экологи-

ческого мониторинга большое количество методов и приемов биоиндикации. Фитоиндикационный

метод позволяет оценить комплексное антропогенное воздействие и его экологические последст-

вия в естественных природных и техногенно нарушенных ландшафтах. Он незаменим при выпол-

нении изысканий в труднодоступных районах и там, где отсутствуют посты мониторинговых на-

блюдений.

Контрольные вопросы

1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной среды.

2. Показатели состояния растительности как индикатора экологического состояния терри-

тории

3. Классификация фитоидикационных признаков

4. Методы биоидикации по структуре и строению растительных сообществ

5 Метод дендроиндикации

6. Метод бриоиндикации

7. Метод лихеноиндикации

8. Биоиндикационные показатели лихенондикации (показатель обилия-плотности, индекс

чистоты атмосферы, индекс чистоты воздуха).

9. Методы биотестирования, их преимущества и достоинства.

10. Тест-объекты, стандартные и наиболее часто используемые в прктике.

Демонстративный материал к теме «Методы биоиндикационных исследований»

Таблица - Состояние растительности как индикатора экологического состояния тер-

ритории

Показатели

Параметры

Экологическое

бедствие

Экологический

кризис

Относительно удовл

е-

творительная ситуация

Уменьшение биоразнообразия (индекс разн

о-

образия Симпсона), % от нормы

Более 50

Менее 10

Плотность популяции вида

индикатора антр

о-

погенной нагрузки, % от нормы

Более (менее) 50

Более (менее) 20

Площадь к

оренных или ква

зикоренных асс

о-

циаций, % общей площади

Менее 5

Менее 30

Более 80

Видовой состав естественной

травянистой ра

с-

тительности

Уменьшение

об

и-

лия вторичных

видов

Господству

щие

виды сменились на

вторичные

Естественная смена

о-

минантов, субдоминан-

тов и характерных ви-

дов

Возрастной спектр ценопопу

ляции доминантов,

возобновление в отн. ед.

Менее 0,1

0,1

0,3

Более 0,5

Лесистость,

от оптималь

ной (зональной)

Менее 10

Менее 30

Более 90

Запас древесины основных лесообразующих

пород, % от нормального

Менее 30

Более 80

Повреждение древостоев техногенными выбр

о-

сами, % от общей площади

Более 50

Менее 5

Повреждение хвойных пород техногенными

выбросами (поврежде-ние хвои), %

Более 50

Менее 5

Заболевание древос

тоев, %

Более 50

Менее 10

Гибель лесных культур, % от площади лес

о-

культурных работ

Более 70

Менее 5

Площадь гари, не облесившейся в течение 10

лет

Более 10 тыс. га

10 тыс. га

Площадь посевов, поврежденных вредителями,

% от общей площади

Более 50

Менее 10

Гибель посевов, % от общей площади

Более 30

Менее 5

Проективное покрытие пастбищной сухосте

п-

ной и полупустынной растительности, % от

нормальной

Менее 10

Более 80

Продуктивность пастбищной растител

ьности, %

от потенциальной

Менее 5

Более 80

Изменение ареалов редких видов

Исчезновение

ареала

Разделение и с

о-

кращение площади

ареала

Отсутствует

Повреждения растительности заповедников

Смена формаций

Смена ассоциаций

Фенотипические, без

смены ассоциаций

Площадь зеленых насаждений (на человека) в

крупных городах и промышленных центрах, %

от норма-тивного

Менее 10

Более 90

Демонстративный материал к теме «Методы биоиндикационных исследований»

Таблица - Классификация фитоидикационных признаков

ФИТОИНДИКАЦИЯ

Физиологические и

биохим

и-

ческие признаки

Морфологические

пр

и-

знаки

Флористические

признаки

Фитоценотические

пр

и-

знаки

1. Химический состав

расте

ний.

1. Ксероморфность.

1. Специфическая

флора.

1. Продуктивность со

общества.

2. Активность основных

физиологических процес

сов

(фотосинтез, дыхание и др.)

2. Размеры растений

отдельных органов, еже-

годный прирост

2. Присутствие

отсут

ствие

индикаторного вида.

2. Сомкнутость и про

к-

тивное покрытие сообще-

ства, ярусов.

3. С

одержание пигмен

тов.

3. Хлороз и некроз.

3. Индикаторные

виды.

3. Анализ доминан

тов

4. Изменение активности

ферментов и т. д.

4. Суховершинность.

4. Обилие и продук

тивность индикатор

ного

вида.

4. Экобиоморфный

состав

сообщества и ярусов.

5. И

зменение окраски.

5. Дендро

, брио

, ли

хеноиндикация

5. Вертикальная и го

ризонтальная струк

тура

сообщества.

6. Тераты и т. д.

6. Границы зо

нальных,

интра- и азональных фи-

тоценозов.

Таблица - Рекомендуемые группы и виды морских организмов и их тест-реакции для ис-

пользования при биотестировании

Группа и вид тест

организмов

Тестируемая среда

Тест

реакция и показатель

Гетеротрофный микропланктон, бактерии

Вода, поверхностный

микрослой толщиной

около 1 мм

Изменение динамики БПК, ви

дового

доминирования, скоро

сти разрушения

субстратов, мутагенной активности

Простейшие

(Stylonichia mytilis,

Tmtinnopsis

biroidea, Noctiluca seintillans, Cristigera)

Донные осадки, по

ровые

воды, элюаты,

шламы,

стоки

Снижение выживаемости, изме

нения

темпов размножения и

скорости роста,

нарушения подвижности и морфоло-

гии

Одноклеточные водоросли, ре

гиональные д

о-

минанты (Coscinodiscus, Ditylum, Gyrodinium

Exuviella и др.)

Вода, стоки

Изменение скорости деления и

чи

с-

ленности клеток, нарушения интен-

сивности фотосинтеза и флуорес-

ценции, аномалии пигмен-тного со-

става и др.

Макрофиты

(Laminaria, Macro

су

stis pyrifera

др.)

Вода, стоки

Изменение скорости роста, нару

шения

оседания зооспор, морфологические и

электро-физиологические аномалии

Зоопланктонные фильтраты

(

Acartia

Eurotim

ra, Tigriopus, Calanipeda, Artemia salina и др.)

Водастоки

Снижение выживаемости и пло

довитости, нарушение вос-

производства, поведения и трофиче-

ской активности, мор-фологиче

ские и

другие аномалии

Рыбы (икра, личинки, молодь)

(

Salmo

gairdner

Tmchurus trachurus, Limanda limanda, Gadus

morhua, Scophthalmus maximus, Sprattus

sprattus, Spicara smaris и др.)

Вода, стоки

Повышение смертности и часто

ты

морфологических аномалий, наруше-

ния питания, роста, дыхания, поведе-

ния, физиологических и других пока-

зателей

Макробентос (взрослые эмбри

оны, личинки)

(Mytilus edulis, Crassostrea gigans, Macoma, Echi-

nocardium, Arenicola и др.)

Вода, донные

осадки,

стоки, шла-мы

Снижение выживаемости, нару

шение

размножения, замедление роста, пове-

денческ

ие, физиологические и другие

отклонения от нормы

Лекция 6

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В БИОИНДИКАЦИОННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ

В настоящее время в практику биоиндикационных исследований широко вошли математи-

ческие методы. Они применяются для выявления сходства количественных и качественных пара-

метров экосистем, для оценки индикаторности видов, индицируемости градиентов экологических

факторов и т. д.

Функционирование природных экосистем характеризуется стохастическими величинами и

аппроксимируется системой вероятностных функций. Поэтому для оценки достоверности связи

индикатора с объектом индикации требуется привлечение теории статистических решений, в том

числе широкого класса задач статистического оценивания, проверки статистических гипотез, кор-

реляционного и факторного анализа и др. Расчет статистических параметров производится по

стандартным формулам:

;

%100

где

— выборочное среднее содержание,

x - количественное значение i-го параметра,

— выборочная дисперсия, К — коэффициент вариации, N — объем выборки. Для оценки количе-

ственных характеристик используются статистические критерии:

t-критерий Стьюдента

F-критерий Фишера F =

критерий c

и др.

ОЦЕНКА СХОДСТВА ОБЪЕКТОВ. Количественная оценка сходства объекта исследования с этало-

нами проводится с помощью различных коэффициентов сходства.

КОЭФФИЦИЕНТ СЪЕРЕНСЕНА

где а - число совместных встреч видов, b - число случаев встречи вида В, с - число случаев

встречи вида А.

КОЭФФИЦИЕНТ ЖАККАРА

NNN

K ,

где N

A+B

- число общих видов в описаниях Аи В; N

и N

- число видов соотвственно в

описаниях А и В.

Для количественных характеристик коэффициент имеет вид:

iiii

BABA

)min((

)min(

K ,

где А

и В

- количественные значения вида i в описаниях A и В, N - общее число видов.

КОЭФФИЦИЕНТ КОХА (индекс биотической дисперсии).

nT,

N1)-(M

N-T

K ,

где М - общее число описаний, N - общее число видов во всех описаниях, n

-- число видов в i-м

описании.

КОЭФФИЦИЕНТ МОРИСИТА

1)-N(N

1)-

NN)C(C

)nn2

1,2

2i1i,

= =

= ,

где n

и n

—количественные характеристики i-го вида в сравниваемых сообществах 1 и 2;

N — общее число видов, С

—индекс Морисита (показатель неравномерности распределения вида),

М — общее число площадок, п

— число особей вида на i-й площадке,

- общее число

особей вида на всех площадках.

МЕРА РАССТОЯНИЯ. Позволяет проводить оценку различия независимых объектов по

качественным и количественным признакам. Наиболее распространенными разновидностями яв-

ляются:

Мера расстояния Евклида - для количественных признаков:

,])([

2/12

BAED

для качественных признаков:

,cbED +=

где А

, В

- значения количественных признаков для объектов описаний; N - общее число при-

знаков, b, с - значения четырехпольной таблицы, число встреч только вида В или А.

Мера расстояния Дженжерелли:

å å å

++-=

1-N

2/1

]

B-

A)(

(A2

)

(A[)B,A(

Мера расстояния Макнаутон— Смита:

2/1

]

)

(A[)B,A(

Мера расстояния Вилъямса:

1i 1j

2/1

]

)

(A[)B,A(

Мера расстояния между объектами в факторном пространстве:

2/1

]

)

(A[)B,A(

Мера канберрская:

)B,A(

где A

, B

- значения i-го признака для сравниваемых объектов А и В; r

-коэффициент ли-

нейной корреляции между признаками i и j; N - размерность пространства признаков, c