Биологический мониторинг - Татьяна Евстифеева

Евстифеева Т. А., Фабарисова Л. Г.

Биологический мониторинг

1 Понятие биологического мониторинга. История развития науки

Под экологическим мониторингом следует понимать регулярно выполняемые по заданной программе наблюдения за состоянием природных сред, природных ресурсов, здоровья населения, позволяющие выявить происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Наблюдение и исследование состояния природных сред можно производить различными способами, в том числе с помощью живых организмов, по реакции которых можно, в большинстве случаев, определить характер и степень загрязнения той или иной среды. Исследование состояния воздушной, почвенной и водной сред с помощью живых организмов называется биологическим мониторингом или биотестированием (биоиндикацией).

Учение о растительных индикаторах находится в тесной взаимосвязи с развитием ряда смежных наук, особенно с экологией почв и географией растений. Впервые экологическую характеристику условий произрастания растений дали античные авторы. Подобные сведения можно встретить в сочинениях Феофраста (327-287 гг. до н. э.), Катона (234-149 гг. до н. э.), Плиния Старшего (79-23 гг. до н. э.). Значение растительных указателей почв подчеркивал Колумелла (I век н. э.). Он писал, что «рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Уяснение взаимосвязей «почва – растение», наверное, самое первое утилитарное понятие сути индикации, усвоенное первыми земледельцами. По мере развития наук, расширения кругозора, разработки методов исследований характер взаимосвязей принял облик научно обоснованных закономерностей, законов. С ростом цивилизации и, особенно, интенсификацией сельскохозяйственного производства роль биоиндикатирования резко возросла.

Изучение экологии и географии растений в XVII – XVIII вв. приносит новые научные сведения об экологической приуроченности растительности (Трагус, Кордус в Германии, Ломоносов в России, европейские путешественники в разных странах).

Основоположником учения о растительных индикаторах почв можно считать Ф.И. Рупрехта (1866), который в своем геоботаническом исследовании писал, что «свойство растительного слоя зависит от рода его покрова».

Дальнейшее развитие учения о растительных индикаторах было подготовлено крупными географическими исследованиями конца XIX века. Разработанные В.В. Докучаевым принципы «естественно-исторической эволюции почв» (1898) явились теоретической и практической основой широкого развития учения об индикаторных свойствах растительности.

Наиболее фундаментальным и выдающимся трудом явилась работа Ф. Клементса (Clements, 1920), положенная в основу учения о растительных индикаторах как одного из направлений ботанической географии. Более современные сводки по растительным индикаторам почв дают труды Л.Г. Раменского (1938, 1956), Г. Элленберга (Ellenberg, 1950, 1952), А.А Крюденера (Kruedener, 1951), И.В. Ларина (1953). Вопросы общей систематизации в теории растительных индикаторов рассматриваются в работах Ткалича С.М. (1952), Викторова С.В. (1953), Виноградова Б.В. (1957), Петрова В.С.(1960).

В начале нового тысячелетия, когда естественная природная обстановка трансформируется в новом витке эволюции – антропогенезе, что сопровождается изменением эколого-геохимического состояния почв и биохимического – растений, проблема индикации, оценки сопряженного изменения этих объектов природной среды особенно актуальна.

Метод фитоиндикации может быть применим на всех стадиях мониторинга окружающей среды (таблица 1).

Таблица 1 – Система наземного мониторинга окружающей среды (И.П. Герасимов, с изменениями)

2 Понятие биоиндикатора. Виды индикаторов

Индикатор (лат. Indico – указываю, определяю) – указатель. По Н.Ф. Реймерсу, биоиндикатор – это:

1) группа особей одного вида организмов или сообщество, по наличию или состоянию которых, а также поведению судят о биоэкотопических изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей;

2) вид или сообщество, присутствие которых указывает на геохимические особенности среды, обусловленные наличием полезных ископаемых.

Таким образом, индикатор условий внешней среды – термин, относящийся, главным образом, к живым организмам-биоиндикаторам или индикаторным сообществам как показателям общего состояния окружающей среды, включающим физические, химические, биологические и иные факторы, их интенсивность, соотношение между собой, скорость и степень изменения.

Прямыми индикаторами называются такие, присутствие которых непосредственно определяется наличием данного объекта индикации и зависит от него.

Косвенные индикаторы не имеют прямой связи с объектом индикации, но приурочены к какому-либо промежуточному условию, которое сопряжено с объектом индикации.

К индикаторным признакам относятся: флористические (различия в видовом составе); физиолого – биохимические (характеристики химического состава, обмена веществ, их аномалии, особенности состава пигментов, определяющих цвет растений); эколого – физиологические, в частности, отношение к воде, засолению почв, характеру субстрата и т.д. (выявление ксерофитов, мезофитов, галофитов, петрофитов и др.); морфологические (размеры, особенности внешнего и внутреннего строения растений, в частности, ветвления, искривлений и других отклонений, ширина годичных колец и др.); эколого-морфологические (особенности жизненных форм); онтогенетические признаки (особенности фенологии, длительность развития); ассоциированность видов; структура сообществ (особенности сложения ярусов, микрогруппировок, микро-фитоценозов); взаимоотношения и динамика сообществ в пространстве и во времени (экологодинамические, эколого-генетические ряды, сукцессии) и др.

По сравнению с физико-химическими, биоиндикационные методы имеют некоторые преимущества, а именно: они не требуют дорогостоящих и капризных аппаратов, результаты могут быть получены без вмешательства в жизненные процессы организмов, выявляются интегральные оценки, мало зависящие от мгновенных значений, можно одновременно охарактеризовать большие территории, составляя, например, биоиндикационные карты степени загрязненности среды. Биоиндикационные методы изучения антропогенного влияния на окружающую среду являются вспомогательными (но достаточно точными и дешевыми), они не заменяют точные физико-геохимические исследования среды. Лишь дружный и целенаправленный «союз» и комплексность определений вещественно-элементарного характера сред и биоиндикационных методов мониторинга может дать результаты, всесторонне характеризующие состояние и динамику изменений экосреды.

Наиболее изучены в настоящее время реакции на загрязнение перечисленных сред различными веществами и их смесями со стороны растений. Фитоиндикационные наблюдения тесно связаны с определенными экологическими условиями, с их помощью возможно качественно и даже количественно оценивать характер изменений во внешней среде (по присутствию и состоянию этих растений). Использование популяций, отдельных видов, групп видов и растительных сообществ в целях индикации экологических условий – предмет изучения индикационной геоботаники, одного из первых направлений, получивших широкое развитие в биоиндикации.

Для обнаружения специфических загрязнений воздушного бассейна и для слежения за динамикой этого загрязнения возможно применение чувствительных видов растений и других организмов. К их числу относятся низшие растения, лишайники, грибы, многие высшие растения. Толерантные или индикаторные виды, а также их сообщества используются для характеристики почвенных условий, определения концентрации тяжелых металлов.

В качестве биотесторов, кроме растений, достаточно часто используются бактерии (особенно кишечная палочка), водоросли (в частности, хлорелла), низшие грибы, инфузории, низшие ракообразные, беззубки, личинки хирономид, рыб, земноводных и т. д.

Микробиология. Микроорганизмы быстро обнаруживают загрязнения как воды, так и почвы. Существуют микроорганизмы, особо чувствительные к некоторым веществам, другие принимают участие в распаде загрязнителей.

Зоология. Изучение отдельных видов, а также целых сообществ животных может стать источником сведений, касающихся накопления химических веществ в их теле. Индикаторные виды могут быть использованы для определения уровня токсичности в продуктах питания людей.

Клеточная биология и генетика. Превосходными биоиндикаторами являются клеточные и субклеточные (включая хромосомы) компоненты организма, адаптированные к определенным условиям. Уже имеются и еще будут выявлены многочисленные тест-системы in vivo и in vitro для кратковременного и долгосрочного слежения за изменениями природной среды.