Примерное время чтения: 8 мин.
Окружающая среда и биосфера испытывают непрерывное и многообразное антропогенное воздействие, которое приводит к определенным изменениям и последствиям для человечества и самих экосистем.
В наши дни ведутся серьезные исследования и наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенным воздействием. При этом, территории не всегда бывают доступны к проведению исследований с использованием сложных высокотехнологичных методов и специализированного оборудования в рамках мониторинга, а значит, проще и эффективнее применять биоиндикацию, которая будет предоставлять данные для экологического мониторинга на любой местности.
Биоиндикация (bioindication) — это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов (наблюдении за составом и численностью) непосредственно в среде их обитания. Главным направлением развития биоиндикации является разработка определенных критериев, которые отражают уровень техногенных воздействий на специально подобранные «тест-организмы». С помощью выбранных критериев можно получить оценку уровня загрязнения среды на начальных этапах поступления токсикантов в наиболее чувствительные компоненты среды.
Наряду с биоиндикацией для исследования экосистем применяется биотестирование (bioassay) — процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности вне зависимости то того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.
Биоиндикаторами (от био и лат. indico — указываю, определяю) называют организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех царств живой природы, непригодны лишь организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Ответная реакция живых организмов на внешние воздействия проявляется в изменении количественных и качественных показателей (биомасса, разнообразие и др.), что позволяет обнаруживать отклонения в функционировании природного комплекса.
Впервые биоиндикаторы были использованы в XIX веке, когда шотландский физиолог Джон Скотт Холдейн предложил использовать канареек в шахтах для изучения токсичного воздействия различных газов на организм человека. Если птица начинала проявлять признаки беспокойства или падала, то это означало, что в шахте есть примесь газа и людям срочно следует покинуть ее.
Современная биологическая наука располагает широким спектром методов биоиндикации. Биоиндикаторы могут быть использованы для оценки качества воздуха, воды, диагностики почв.
Так, для обнаружения начального изменения состава воздуха наиболее пригодны растения, в том числе низшие. Соответствующие индексы дают количественное представление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ. Оценку чистоты воздуха можно проводить с помощью высших растений. Например, голосеменные — отличные индикаторы чистоты атмосферы. Отличными датчиками состояния воздуха являются лишайники. У них нет корневой системы, поэтому они берут питательные вещества прямо из атмосферы, в связи c чем они становятся чувствительными к малейшему загрязнению воздуха, и то, что никак не повлияет на большинство растений, вызывает массовую гибель чувствительных видов лишайников.
С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.
Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости.
Водные биоиндикаторы, такие как макрозообентос (водные беспозвоночные) или рыбы, могут использоваться для оценки качества водных экосистем. Биотестирование воды с помощью дафний и инфузорий включено в обязательный перечень показателей Государственного стандарта (ГОСТа) для рыбохозяйственных водоемов.
Наиболее предпочтительным для оценки токсичности воды может быть определение тех или иных штаммов бактерий. Такой метод позволяет давать первоначальную, самую общую оценку качества питьевой воды, фактически заменяя на этом этапе десятки отдельных физико-химических анализов. Однако биотестирование с помощью индикаторных штаммов бактерий требует наличия специальных микробиологических боксов, обеспечивающих стерильность проводимых работ и расходования достаточно дорогих питательных сред.
Токсичность воды можно оценивать с помощью 7-дневного теста на ветвистоусых рачках — Ceriodaphnia affinis Lill.
Раки, «работающие» в системе биомониторинга в помощь ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», живут в аквариумах, через которые проходит очищенная сточная вода. Эти членистоногие чувствительны к качеству воды, и при ухудшении ее параметров раки изменяют свое поведение, а персонал станции заметит не только изменения в его поведении, но и получит сигнал от специального оптоволоконного датчика, прикрепленного к панцирю. Устройство в режиме реального времени следит за показаниями сердечной активности животного. Наблюдение за сердцебиением ведется путем непрерывного измерения и анализа фотоплетизмограммы, т.е. оптическим способом наблюдается динамика рассеивания света, которая изменяется в такт с биением сердца. Если одновременно у всех раков ритм резко повысится в 1,5-2 раза, то в диспетчерской загорится красный сигнал. Это будет значить, что требуемая эффективность очистки не достигается и технологический процесс требует оперативной корректировки.
Сейчас с помощью мидий по всему миру отслеживают уровень опасности загрязнения воды. Например, в Карелии ученые смогли определить наличие растворенных нефтепродуктов. При высоком содержании нефти у мидий увеличивалось количество сердечных сокращений, и снижался холестирин.
В зарубежных странах метод биотестирования активно внедрён в практику надзора за внешней средой. В Соединенных Штатах Америки введена многотесторная система биологического анализа токсичности вод.
Позвоночные животные также служат хорошими индикаторами состояния среды. Основное преимущество использования позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.
Так, сокращение популяции белоголовых орлов и многих других птиц в США было следствием применения ДДТ. В 1972 году вещество запретили использовать в США, и тогда популяции вновь начали расти. А критическое сокращение северных пятнистых неясытей стало следствием вырубки лесов на Тихоокеанском северо-западе в 1990 году.
Биоиндикация используется даже как метод радиоэкологического мониторинга среды и является одним из способов диагностики лесных территорий, позволяющих дать объективную оценку степени загрязнения природных экосистем техногенными радионуклидами. По экспертным оценкам, хорошим биоиндикатором радиационного загрязнения оказался мох кукушкин лен, щитовник мужской, а также брусника.
Использование биоиндикаторов позволяет не только оценить состояние окружающей среды, но и предпринять меры по ее сохранению и восстановлению. Биоиндикаторы также играют важную роль в научных исследованиях, связанных с экологией, охраной природы и устойчивым развитием.
Москва
