Что такое мониторинг в биологии

Биологический мониторинг

В учебном пособии рассмотрены основные понятия биологического мониторинга, методы биоиндикационных исследований, особенности поведения загрязняющих веществ в окружающей среде их поступления в живые организмы и накопления в них.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Биологический мониторинг предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

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)

Источник

МОНИТОРИНГ

Полезное

Смотреть что такое «МОНИТОРИНГ» в других словарях:

МОНИТОРИНГ — (от англ. monitoring, от лат. monitor напоминающий, надзирающий), комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий. Мониторинг не включает управление качеством… … Экологический словарь

Мониторинг — система сбора/регистрации, хранения и анализа небольшого количества ключевых (явных или косвенных) признаков/параметров описания данного объекта для вынесения суждения о поведении/состоянии данного объекта в целом. То есть для вынесения суждения… … Википедия

мониторинг — – аналитический контроль химических загрязнений на исследуемой территории. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] Мониторинг – относительно продолжительное наблюдение за изменениями параметров (состава) объекта или процесса, фиксация изменений… … Химические термины

МОНИТОРИНГ — МОНИТОРИНГ, комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных частей, главным образом под влиянием человеческой деятельности (так называемого антропогенного воздействия). Наиболее важны в системе… … Современная энциклопедия

Мониторинг — (от лат. monitor тот, кто напоминает, предупреждает * a. monitoring; н. Monitoring; ф. monitoring; и. monitoring) комплексная система регламентированных периодич. наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния природной среды c целью… … Геологическая энциклопедия

МОНИТОРИНГ — [ Словарь иностранных слов русского языка

Мониторинг — МОНИТОРИНГ, комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных частей, главным образом под влиянием человеческой деятельности (так называемого антропогенного воздействия). Наиболее важны в системе… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

МОНИТОРИНГ — наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенно растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны. Различают глобальный, региональный и локальный уровни мониторинга. Проводится с… … Большой Энциклопедический словарь

мониторинг — прогноз, оценка, наблюдение Словарь русских синонимов. мониторинг сущ., кол во синонимов: 4 • наблюдение (60) • … Словарь синонимов

Мониторинг — (англ. monitoring) система наблюдений, оценки, прогноза состояния и динамики какого либо явления, процесса или иного объекта с целью его контроля, управления его состоянием, охраны, выявления его соответствия желаемому результату или… … Энциклопедия права

Источник

Биологический мониторинг

Просмотр содержимого документа
«Биологический мониторинг»

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МОНИТОРИНГЕ

1968 г. – Доклады Римского клуба «Трудности человечества»

День охраны окружающей среды

2012 год — «Зелёная экономика: а ты её часть?»

2011 год — «Леса: используя услуги природы»

2010 г.: «Множество видов. Одна планета, Одно будущее».

Мониторинг загрязняющих веществ

Оценка ответных реакций биологических объектов

Наблюдение, оценка и прогноз уровней загрязнения

система наблюдений, оценки и прогноза любых изменений в биотических компонентах, вызванных факторами антропогенного происхождения и проявляемых на организменном, популяционном или экосистемном уровнях

Основные методы биологического мониторинга

Экосистемы продуктивность ценоза, обилие, видовое разнообразие, трофическая структура, выпадение чувствительных видов

десятки и сотни лет

Популяции изменение половозрастной и генетической структуры популяции репродуктивной способности, радиоадаптация

Организменный уровень выживаемость, заболеваемость, морфологические аномалии, наследственные эффекты

Молекулярно-клеточный уровень мутации, изменение концентрации внутриклеточных метаболитов, мутации, трансформации, гибель клеток

Биологический мониторинг и уровни биологической организации

Генные, хромосомные и геномные мутации, интенсивность свободнорадикальных реакций, изменение концентрации внутриклеточных метаболитов (металлотионеины, БТШ, антиоксиданты, Ca 2+ и др.)

Репарация, синтез защитных веществ

Пролиферативная активность, повреждение и гибель клеток

Рост, развитие и фотосинтетическая активность растений, аномалии скелета, морфологические отклонения, частота новообразований, изменения иммунной реакции и состава крови, поведен-ческие реакции, выживаемость, стерильность

Посевные качества семян, показатели роста, воспроизводства и половозрастной структуры популяции

Изменение возрастной, половой и генетической структуры популяции

Биомасса (продуктивность ценоза), обилие, видовое разнообразие, трофическая структура, перераспределение популяций по степени доминирования

Изменение видового состава, структуры и продуктивности биоценоза

Наиболее ранние изменения можно зафиксировать на молекулярно-клеточном уровне организации живой материи

До высших уровней биологической организации стрессовые воздействия чаще всего доходят с запаздыванием и в значительно смягченной, косвенной форме

Хотя может быть и «эффект бабочки»…

Преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим и биотическим показателям

Мониторинг загрязняющих веществ

Преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим и биотическим показателям

Мониторинг загрязняющих веществ

Преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим и биотическим показателям

Мониторинг загрязняющих веществ

Методы оценки качества окружающей среды

отбор проб воды, воздуха, почвы; анализ в лаборатории с использованием химико-физических методов

Регистрация биологических эффектов у живых организмов

— в естественных условиях

— в лабораторных условиях

Только часть информации, необходимой для оценки повреждающего действия поллютантов

Особенно полезны при оценке неизвестных соединений, комбинированного загрязнения (отходы)

Оба вида мониторинга, отражая разные стороны единого процесса, лишь в совокупности способны дать объективную и адекватную оценку экологической ситуации

Принцип слабого звена

зоны вторичного накопления загрязняющих веществ (депо)

Почва, донные отложения

Сосна, млекопитающие, дождевые черви

критические органы (тест-системы)

Внешнее излучение – гонады

Что такое биологический мониторинг? Его место в системе экологического мониторинга

Принципы организации биологического мониторинга

Преимущества и недостатки оценки состояния окружающей среды по абиотическим и биотическим показателям

Источник

Биологический мониторинг и биоиндикация

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки РФ

Федеральное государственное образовательное автономное учреждение

высшего образования

«Южный федеральный УНИВЕРСИТЕТ»

Академия биологии и биотехнологии

Биологический мониторинг и биоиндикация

Учебное пособие

для студентов биоэкологов

Ростов-на-Дону

Пособие разработано по программе и утверждена на заседании кафедры экологии и природопользования биолого-почвенного факультета, протокол № от «______» _______________ 2007 г.

Автор и составитель:

д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета К.Ш. Казеев.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

В конце 60-х гг. двадцатого века многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия “мониторинг”. Решено было под мониторингом окружающей среды понимать комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Термин появился как дополнение к термину “контроль состояния окружающей среды”.

В настоящее время под мониторингом понимают совокупность наблюдений за определенными компонентами биосферы, специальным образом организованными в пространстве и во времени, а также адекватный комплекс методов экологического прогнозирования.

Основные задачи экологического мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия.

В конечном счете целью экологического мониторинга является оптимизация отношений человека с природой, экологическая ориентация хозяйственной деятельности.

Экологический мониторинг возник на стыке экологии, биологии, географии, геофизики, геологии и других наук.

Выделяют различные виды мониторинга в зависимости от критериев:

— здоровья населения и др.

Особую роль в системе экологического мониторинга играет биологический мониторинг, т. е. мониторинг биотической составляющей экосистем (биоты).

Биологический мониторинг — это контроль состояния окружающей природной среды с помощью живых организмов. Главный метод биологического мониторинга — биоиндикация, которая заключается в регистрации любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами. В биологическом мониторинге могут быть использованы не только биологические, но и любые другие методы, например химический анализ содержания загрязняющих веществ в живых организмах.

В России мониторинг природной среды осуществляется многими ведомствами, в рамках деятельности которых имеются соответствующие задачи, уровни и составляющие подсистемы мониторинга. Так, например, в системе мониторинга, осуществляемого Росгидрометом, различают три уровня экологического мониторинга окружающей природной среды: глобальный, региональный и локальный. Цели, методические подходы и практика мониторинга на разных уровнях отличаются.

Задачей мониторинга на локальном уровне является определение параметров моделей “поле выбросов — поле концентраций”. Объектом воздействия на локальном уровне является человек.

На региональном уровне подход к мониторингу основан на том, что загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, рассеиваются, включаются в круговорот веществ в биосфере, изменяют состояние абиотической составляющей и, как следствие, вызывают изменения в биоте (экзогенные сукцессии).

Любое хозяйственное мероприятие, проводимое в масштабе региона, сказывается на региональном фоне — изменяет состояние равновесия абиотической и биотической компоненты. Так, например, состояние растительного покрова, в первую очередь лесов, существенно влияет на климатические условия региона.

Биомониторинг

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Госгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона.

3. Классификация качества вод суши по биопоказателям

В 1990 г. экономическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интефированного мониторинга (1М) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество): общая метеорология (6), химизм воздуха (3), химизм почвенных и подземных вод (4), химизм поверхностных вод (4), почва (6), биологические показатели (11).

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено шесть площадей для проведения регионального мониторинга по перечисленным выше биологическим показателям.

Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.

Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:

• степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;

• состава поллютантов в листьях и хвое;

• сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;

• жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;

• площади покрытия эпифитных лишайников;

• численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;

• аккумуляции поллютантов в дождевых червях.

Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень фунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.

Биоиндикация

Существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительным период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замету лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить- биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь кос венные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

Аккумуляция вредных веществ

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тиса и интенсивностью движения в городах.

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнений ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов XX века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.

Изменение размеров клеток

Показано, что при газодымном загрязнении:

• увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

• уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

Нарушение физиологических процессов в клетке

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO₂ цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX века вокруг содовых фабрик Англии и Бельгии.

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

• Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

• Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

• Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

• Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях).

Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетил-нитрата.

• Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

• Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта | Bel W3 возникают под действием озона.

• Межжилковые — некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

• Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), которой зимой посыпают городские улицы для таяния льда.

• «Рыбий скелет»— сочетание межжилковых и краевых некрозов.

• Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосеменных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

3. Преждевременное увядание. Под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает обратимое увядание листьев малины.

5. Изменения размеров органов обычно неспецифичны. Например, хвоя сосны вблизи заводов удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от сернистого газа. У ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локальных некрозов возникает вздувание или искривление листьев, 1 сращение или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка.

7. Изменение жизненной формы растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCI, SO₂).

8. Изменение жизненности. В присутствии многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1-2 класса до 4-5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряют радиальный прирост стволов, прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, при действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

Примеры биоиндикации на организменном уровне

Растения

1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт BEL В.

2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью кресс-салата. Семена проращивают в чашках Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировочная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней части кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее количество хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвои сокращается вплоть до одного года, соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Бонитировочная шкала некрозов и продолжительности жизни хвои позволяет количественно оценить степени загрязнения среды.

Животные

Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других и используют в целях биоиндикации.

1. Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):

а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

• у ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);

• некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);

• на загрязненном корме размеры личинок и имаго насекомых обычно уменьшаются;

б) покровы. У тли (Aphis fabae) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомков;

в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:

• бабочки пяденицы березовой;

• двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2-3%, а в загрязненных районах много выше);

• коллемболы (Orchesella villosa);

г) уродства. Под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу РbО.

д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклифра отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.

2. Физиологические изменения. Следующие примеры покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:

а) у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе. Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;

б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основных типов. Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 до 32%;

в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;

г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каротиноидов.

3. Размножение. Плодовитость обычно падает, например:

• у тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;

• у птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;

повышается смертность зародышей и птенцов. Иногда плодовитость повышается, например:

• у коллембол (Onychiurus armatus, Orchesella cincta) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.

В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus). При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г/кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.

4. Онтогенез и продолжительность жизни:

а) нарушение течения линек у насекомых:

• при загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;

• удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;

б) сокращение сроков развития:

• у совки (Scotia segetum) на 4-7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCl);

• у коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus) при загрязнении тяжелыми металлами;

в) изменение срока жизни. Обычно он сокращается, например:

• у кобылки (Acrotylus patruelis) при увеличении концентрации HgCl;

• у гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;

• у личинок мухи (Calliphora vicina) пропорционально концентрации сернистого газа.

Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта гаропилгаллата срок жизни возрастает на треть.

б) у крабов (Pachygrapsus) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

Растения

В целом, под влиянием антропогенного вмешательства у большинства видов, особенно чувствительных, плотность, популяций падает. Биоиндикация основана на учете плотности популяции чувствительных к нарушениям видов, например, площади, покрытой лишайником леканора (Lecanora conizaeoides). Этот относительно дымостойкий лишайник встречается в Европе на всех древесно-кустарниковых породах, что позволяет произвести первую оценку интенсивности многолетнего загрязнения воздуха на данной территории. Площадь покрытия лишайника хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе, причем в безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

2. Возрастная структура популяций. При антропогенном вмешательстве нарушается соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями в популяции:

а) популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются. Это отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов;

б) популяция стареет, если нарушается возобновление. Например, загрязнение сернистым газом нарушает возобновление в букняках.

Известно много случаев отбора экотипов в природе, способствующих выживанию видов в нарушенной среде. Злак полевица побегоносная растет по морским побережьям и выносит засоление почвы, а полевица тонкая, у которой такие экотипы не обнаружены, избегает засоленных участков.

Сернистого газа в природе много вблизи вулканов, растущие здесь растения относительно устойчивы к этому газу. Например, японская лиственница, по сравнению с европейской, лучше переносит высокую концентрацию SO₂ в воздухе.

4. Изменение ареалов видов растений под влиянием антропогенного вмешательства

В глобальном масштабе:

• сокращение ареала лесных видов, особенно в тропиках;

• распространение сорных рудеральных видов и галофитов. Засоление почвы происходит при орошении почвы в отсутствии достаточного дренажа. Например, Месопотамская низменность сейчас представляет собой огромные солончаки. Вместо природных лесов здесь галофитная растительность, а также ивы и тополя.

Животные

1. Плотность популяций. Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

• многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

• ртутьсодержащие соединения, которыми протравливали посевной материал, вызвали массовые отравления зерноядных птиц и, соответственно, сокращение плотности их популяций в Швеции в начале 50-х годов XX века;

• хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

• тяжелые металлы в сочетании с SO₂; приводят к резкому сокращению численности дождевых червей — начало уменьшения численности наблюдается, когда фоновое загрязнение превышено в 2,0-2,3 раза, при 4,0,4,5-кратном превышении черви исчезают;

Активный мониторинг: почвообитающих клещей-орибатидов (Humerobates rostrolamellatus) выдерживают в специальных камерах в течение недели в разных районах города. Существует корреляция между смертностью клещей и концентрацией в воздухе сернистого газа;

• озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофизацией культурных ландшафтов;

• короеда-типографа при действии газодымовых выбросов;

2. Динамика популяций. Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

• рудеральные, навозные и компостные виды коллембол в городе;

• сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура. Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. С другой стороны, нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

4. Изменение ареала. По антропогенным территориям (полям, городам) южные виды распространяются далеко на север, за пределы своей зоны.

Примеры биоиндикации на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) представляют собой совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания. Принято также говорить о сообществах птиц, почвенных членистоногих, растений и т.д.

1. Общая численность. Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов. Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубей, воробьев. ворон. На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ. При слабом нарушении среды (будь то загрязнение, рекреация или другие формы антропогенного воздействия) количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов. Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

Таким образом, с ростом нарушения количество видов меняется нелинейно (гипотеза промежуточного нарушения Коннела).

Спектр жизненных форм

При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими. При рекреации в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.

5. Спектр биотопических групп. Антропогенное воздействие любой природы сопровождается заменой специализированных видов сообщества на эврибионтные. Дальнейшее усиление нагрузки ведет к тому, что в сообществе сохраняются в основном рудеральные и синантропные виды.

Примеры биоиндикации на экосистемном уровне

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенов, организмов-продуцентов (растения, создающие органическое вещество из неорганических), организмов-консументов (животные, распределяющие и регулирующие потоки вещества и энергии) и организмов-редуцентов (грибы и бактерии, которые разрушают органические вещества, пополняя запас биогенов).

Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура. Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3-4 раза. Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.

В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят к:

• упрощению структуры сообществ и экосистем;

• нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Биоиндикация на уровне биосферы

Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

• «ползучая эвтрофикация». Присутствие в морской воде сточных вод все чаще индицируют красные и бурые приливы. Они возникают из-за вспышек численности одноклеточных водорослей: токсичных динофлагеллят (красные) и диатомовых (бурые);

• глобальное потепление климата. Обычным явлением становится «красный снег». Появляется в горах при повышенной инсоляции благод

Источник