Биомониторинг

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга – слежение за состоянием окружающей среды по физическим и биологическим показателям. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Росгидромет использует классификатор качества вод, включающий 6 классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона. Для примера приведем таблицу классификации вод суши по показателям зообентоса:

Классификация качества вод суши по биопоказателям

В 1990 г. экологическая комиссия Европы под эгидой ООН приняла программу интегрированного мониторинга (IM) окружающей среды по следующим группам показателей (в скобках указано их количество: общая метеорология(6), химия 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 мониторинга по выбору.

На территории бывшего СССР было намечено 6 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 в Германии (земля Баден-Вюртемеберг).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 нормальное значения. Показатели могут быть химическими (соединения тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень грунтовых 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

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может производиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.) так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология».

Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?» По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере 3 случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно хар-но для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволило 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 концепции в окр. среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концепции (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 биондикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные хар-ки фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы 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.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера – всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно.

Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким индикаторам относятся численность популяции, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях, следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10–20 раз, разнообразие их сообществ- в 2–3 раза.

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических молекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

· нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

· изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

· аккумуляция вредных веществ;

· нарушение физиологических процессов в клетке;

· изменение размеров клеток.

Чтобы разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

1. Сернистый газ . SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO3 2 – /HSO3 - ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

23.11.2017 16:52:00

С помощью методов промышленной гигиены на производстве осуществляется измерение и контроль за содержанием различных химических веществ в воздухе. В то же время, остаются вне поля зрения и, соответственно, выходят из-под контроля другие возможные пути вредного воздействия на организм рабочих, обусловленные, к примеру, абсорбцией с кожных покровов или проникновением через органы дыхания, а также потенциальный риск вне работы. Биологический мониторинг помогает заполнить эти пробелы.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термин «биологический мониторинг» был впервые предложен в 1980 г. на семинаре, организованным Европейским экономическим сообществом (ЕЭС) совместно с Национальным институтом проблем безопасности труда и здравоохранения США (NIOSH), а также Управлением по безопасности труда и охране здоровья (OSHA) (Berlin, Yodaiken, Henman, 1984 г) в Люксембурге.

Под данным термином понимают «измерение и оценку содержания химических агентов или их метаболитов в тканях, секрете, выделениях, а также в альвеолярном воздухе с целью определения величины воздействия и риска для здоровья посредством сравнения с соответствующими стандартами». Мониторинг - это действие на основе диагностических процедур, повторяющееся с определенными интервалами, имеющее профилактические и, в случае необходимости, корректирующие функции.

Биологический мониторинг - один из трех важнейших мероприятий, необходимых для профилактики заболеваний, обусловленных токсичными факторами или загрязнением окружающей среды. Этим же целям служит мониторинг окружающей среды и регулярное (периодическое) наблюдение за состоянием здоровья работников. Последовательность событий, приводящих к развитию заболеваний подобного рода, может быть схематично представлена следующим образом: источник - воздействующий химический фактор (агент) - полученная внутренняя доза - биохимический или клеточный эффект - неблагоприятное воздействие на организм - заболевание .

Определением количества токсичных веществ (напр. промышленных химикатов) в воздухе, воде, пище или на поверхностях, контактирующих с кожей, занимается мониторинг окружающей среды.

В результате процессов абсорбции, распределения, метаболизма и экскреции определенная часть внутренней дозы токсичного агента (т.е. количества вещества, абсорбированного или метаболизированного в организме в течение определенного промежутка времени) оказывается в жидких средах организма, где она и может быть определена. При действии внутренней дозы на критический орган (на котором неблагоприятное воздействие сказывается в первую очередь или наиболее сильно) возникают определенные биохимические и клеточные эффекты.

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА СОСТОЯНИЕМ ЗДОРОВЬЯ РАБОТНИКОВ

Термин «наблюдение за состоянием здоровья» был определен на вышеупомянутом семинаре ЕЭС/NIOSH/OSHA в 1980 г. как «периодическое медико-физиологическое обследование рабочих, подверженных вредному воздействию, с целью охраны здоровья и профилактики заболеваний». Биологический мониторинг и наблюдение за состоянием здоровья предполагают определение содержания химических агентов или их метаболитов в организме посредством оценки их биохимических и клеточных эффектов, а также выявления симптомов поражения критического органа. Кроме того, они используются для определения масштабов заболевания.

ЦЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг можно подразделить на мониторинг воздействия и мониторинг эффекта, использующих соответственно индикаторы внутренней дозы и эффекта.

Цель биологического мониторинга воздействия - оценка риска для здоровья посредством определения внутренней дозы, отражающей, в свою очередь, биологически активную нагрузку химических факторов на организм. Доза загрязнения не должна достигать уровня, при котором могут проявиться патологические эффекты. Эффект считается патологическим или вредным, если снижается функциональная активность организма, уменьшается адаптационная способность к стрессам, способность к поддержанию гомеостаза, или повышается восприимчивость к другим воздействиям среды.

В зависимости от химического вещества или анализируемого биологического параметра термин «внутренняя доза» может быть интерпретирован по-разному

Во-первых, он может означать количество абсорбированного химиката за короткий промежуток времени, к примеру, в течение одной рабочей смены. Концентрации загрязнителя в альвеолярном воздухе может определяться непосредственно в течение рабочей смены или на следующий день (образцы крови и альвеолярного воздуха могут храниться до 16 часов). Во-вторых, если химическое вещество имеет большой биологический период полураспада (например, металлы в системе кровообращения), то величина внутренней дозы может отражать количество вещества, поступившего в организм на протяжении нескольких месяцев. В-третьих, термин «внутренняя доза» может также означать количество накопленного в организме вещества. В этом случае внутренняя доза отражает распределение вещества по органам и тканям, из которых оно потом медленно выводится. К примеру, для получения достоверной картины содержания в организме ДДТ, достаточно измерить их содержание в крови.

Наконец, величина внутренней дозы служит показателем количества химического вещества в местах его действия. Одной из наиболее важных и многообещающих возможностей применения данного показателя представляется определение соединений, образованных токсичными веществами с белками гемоглобина или с ДНК. Биологический мониторинг эффекта направлен на выявление симптомов ранних обратимых изменений, возникающих в критическом органе. В этом смысле значение биологического мониторинга эффекта для наблюдения за здоровьем рабочих трудно переоценить.

МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг воздействия основывается на определении индикаторов внутренней дозы с помощью измерения:

количества химического вещества, воздействию которого подвергся рабочий, в крови или в моче (реже в грудном молоке, слюне или жировой клетчатке);
количества одного или нескольких метаболитов данного вещества в жидких средах организма;
концентрации летучих органических соединений (растворителей) в альвеолярном воздухе;
биологически эффективной дозы соединений, способных образовывать комплексы с ДНК и другими крупными молекулами, и, вследствие этого, обладающих потенциальным генотоксичным эффектом.

Рассмотрим факторы, влияющие на концентрацию химических веществ и их метаболитов в крови и моче.

Важным показателем воздействия окружающей среды является концентрация химических веществ в альвеолярном воздухе. Наиболее существенными факторами, определяющими поступление химического вещества в организм, представляются растворимость и метаболизм вдыхаемого вещества, состояние альвеолярного газообмена, минутный объем сердца и продолжительность воздействия.

При обследовании людей, подвергшихся воздействию потенциально канцерогенных веществ, весьма удобно использовать определение комплексов вещества с ДНК и гемоглобином. (Однако, необходимо заметить, что не все химикаты, способные связываться с макромолекулами в человеческом организме, являются генотоксичными, то есть потенциально канцерогенными).

Образование комплексов - всего лишь один из этапов сложного процесса канцерогенеза. Другие события, происходящие внутри клетки (например, репарация ДНК), несомненно, влияют на риск развития онкологических заболеваний. Поэтому в настоящее время замер содержания данных комплексов должен производиться лишь в целях мониторинга воздействия химических веществ.

Биологический мониторинг эффекта осуществляется посредством определения индикаторов эффекта, с помощью которых можно обнаруживать ранние и еще обратимые изменения. Данный подход позволяет количественно оценить содержание химиката в местах его воздействия и содействует определению функциональных изменений критического органа на ранних стадиях.

К сожалению, мы можем рассмотреть всего несколько примеров применения этого подхода, а именно:

ингибирование псевдохолинэстеразы фосфоорганическими инсектицидами;
ингибирование дегидратазы аминолевулиновой кислоты неорганическим свинцом;
повышение уровня выделения с мочой d-глюкаровой кислоты и порфиринов у людей, подвергшихся воздействию химикатов, содержащих порфиринобразующие агенты (то есть хлорированные углеводороды).

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Биологический мониторинг позволяет более точно, чем мониторинг среды, определить потенциальную опасность для здоровья веществ, проявляющих свою токсичность после поступления в организм человека. Биологические параметры, отражающие величину внутренней дозы, дают гораздо больше для понимания процесса вредного воздействия, нежели любые измерения окружающей среды.

Биологический мониторинг обладает рядом преимуществ перед мониторингом окружающей среды и особенно эффективен при оценке:

длительных воздействий;
воздействий, полученных рабочими при перемещении по предприятию;
абсорбции вещества различными путями, в том числе через кожу;
общего воздействия различных загрязнителей в ходе производственной деятельности и вне ее;
количества поступившего в организм вещества, которое зависит не только от величины воздействия, но и от других факторов, например, физических усилий во время работы, газообмена и климата;
количества поступившего в организм вещества в зависимости от индивидуальных особенностей, влияющих на кинетику токсических агентов (таких как возраст, пол, генетические особенности, функциональное состояние органа, в котором токсическое вещество подвергается биотрансформации и элиминации).

Наряду с данными преимуществами биологический мониторинг в настоящее время имеет и ряд ограничивающих факторов, важнейшие из которых представлены ниже.

Фактор 1. Список химических веществ, которые могут быть исследованы с помощью биологического мониторинга, в настоящий момент очень невелик.

Фактор 2. В случае острого воздействия биологический мониторинг может предоставить информацию только о быстро метаболизирующихся веществах, например, ароматических растворителях.

Фактор 3. Не до конца определена значимость биологических индикаторов; например, не всегда ясно, что отражает уровень того или иного вещества в биологическом материале - продолжающееся или накопленное воздействие (к примеру, содержание кадмия и ртути в моче).

Фактор 4 . В целом, биологические индикаторы внутренней дозы, позволяющие оценить уровень воздействия, не дают данных о реальном содержании воздействующего вещества в критическом органе.

Фактор 5 . Нередко отсутствуют данные о влиянии на метаболизм исследуемого вещества другого экзогенного соединения, воздействующего на организм одновременно с первым.

Нет полных данных о взаимосвязи между степенью воздействия окружающей среды и уровнем биологических индикаторов, с одной стороны, и уровнем биологических индикаторов и потенциальным вредным воздействии, с другой. Ограничено количество биологических индикаторов, для которых определены индексы биологического воздействия (ИБВ). При поступлении новой информации необходимо проверить, может ли вещество, идентифицированное прежде как не представляющее опасности, вызывать негативный эффект. ИБВ обычно обозначает ту концентрацию загрязнителя, которая будет вероятнее всего обнаружена в пробе, взятой у здорового рабочего, подвергшегося воздействию химиката, приравниваемого к величине порогового предела (ВПП), средневзвешенного во времени (СВВ).

Информация, стимулирующая развитие методов, и критерии отбора биологических тестов Выполнение программ биологического мониторинга требует:

знания метаболизма экзогенного вещества в организме человека (токсикокинетика);
умения распознавать изменения в критическом органе (токсикодинамика);
идентификации индикаторов;
применения достаточно точных методов анализа;
возможности взятия биологических проб, в которых может быть измерен уровень индикаторов;
знания взаимосвязей между дозой эффекта и дозой ответа;
определения применимости тех или иных индикаторов для данного теста.

В данном контексте тест является оптимальным, если он обеспечивает высокую достоверность результатов. Качество (оптимальность) теста складывается из двух показателей: чувствительности и специфичности. Тест, обладающий высокой чувствительностью, дает малое число ложноотрицательных результатов, а тест, обладающий высокой специфичностью, дает малое число ложноположительных ответов.

ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ВОЗДЕЙСТВИЕМ, ВНУТРЕННЕЙ ДОЗОЙ И ЭФФЕКТОМ

Изучение концентрации загрязнителей на предприятиях и одновременное определение индикаторов дозы и эффекта у людей, пострадавших от их воздействия, позволило установить взаимосвязь между воздействием опасных веществ и их концентрацией в биологических средах, а также между поздними и ранними эффектами воздействия. Если программа биологического мониторинга основана на оценке эффекта, необходимо знание взаимосвязей между дозой вещества и производимым им эффектом. Определение величины этой взаимосвязи «доза - эффект» основана на объединенном анализе индикатора дозы и индикатора эффекта, исследовании изменения индикатора эффекта в ответ на изменение индикатора дозы.

Исследования взаимосвязей «доза - эффект» дало возможность определить концентрацию токсичного вещества, при которой индикатор эффекта превышает величину воздействия, считающуюся неопасной. Более того, таким же образом можно установить уровень воздействия, при котором эффект не возникает. Поскольку в пределах одной группы различные люди реагируют на воздействие по-разному, необходимо определить взаимосвязи «доза-ответ», или исследовать, как группа отвечает на воздействие. Для этого сравнивают внешние проявления эффекта с внутренней дозой. Термин ответ означает процент людей в группе, демонстрирующих специфические количественные вариации индикатора эффекта при любой величине дозы.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Для осуществления программы биологического мониторинга на практике необходимо учитывать:

поведение индикаторов под воздействием, в зависимости от его степени, непрерывности и продолжительности;
промежуток времени между прекращением воздействия и измерением индикатора;
все остальные (помимо воздействия) патологические и физиологические факторы, способные изменять уровень индикатора.

Ниже приводится картина изменений некоторых биологических индикаторов дозы и эффектов, используемых биологическим мониторингом воздействия в производственной сфере для оценки химических веществ, наиболее широко применяемых в индустрии. В отношении индикаторов воздействия каждого вещества определены их преимущества и ограничения, а также значение промежутка времени между воздействием и взятием пробы, равным образом как и побочных факторов. Все это имеет существенное значение при оценке критериев для выбора биологического теста.

ВЫБОР ВРЕМЕНИ ЗАБОРА ПРОБЫ

При выборе времени взятия пробы необходимо принимать во внимание кинетические особенности химиката; особенно важно знать, как происходит абсорбция этого вещества в легких, желудочно-кишечном тракте, с поверхности кожи, распределение по различным органам, как осуществляется его биотрансформация и, наконец, выведение. Важно также знать, способно ли это вещество накапливаться в организме. Помимо этого, время забора пробы имеет большое значение и потому, что от уровня воздействия зависит скорость метаболических процессов, в которых участвует химическое вещество. Исходя из этого, рассчитывается и скорость его выведения.

ПОБОЧНЫЕ ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

Для правильного использования биологических индикаторов необходимо знание факторов, не зависящих от уровня воздействия, но тем не менее влияющих на уровень индикаторов. Ниже приводятся наиболее важные из них. На результаты могут повлиять физиологические особенности, диета, пол, возраст работника. К примеру, люди, употребление в пищу рыбы и раков повышает концентрацию мышьяка в моче и ртути в крови. У женщин, имеющих сопоставимый с мужчинами уровень мышьяка в крови, концентрация эритроцитарного протопорфирина гораздо выше, чем у последних. Уровень кадмия в моче повышается с возрастом.

Курение и употребление алкоголя могут значительно изменять уровень биологических индикаторов. При курении в организм человека поступают вещества, содержащиеся в табачных листьях (кадмий), а также загрязнители производственной среды, оседающие на сигаретах (свинец), и продукты сжигания (моноксид углерода). Употребление алкоголя также может влиять на уровень биологических индикаторов. Например, в алкогольных напитках содержится свинец. Не удивительно, что у людей, потребляющих большое количество алкоголя, уровень свинца в крови гораздо выше, чем у остальных. При употреблении алкоголя в организме нарушаются процессы биотрансформации и выведения промышленных химикатов; в незначительных дозах алкоголь может подавлять метаболизм многих растворителей (трихлорэтилена, ксилола, стирола, толуола), конкурируя с ними за ферменты.

Регулярное употребление алкоголя может, напротив, усиливать метаболизм растворителей, предположительно, путем индукции системы микросомального окисления. Поскольку этанол способен значительно влиять на метаболизм, определение индикаторов воздействия растворителей желательно проводить в те дни, когда алкоголь не употреблялся. В последнее время стало известно, что лекарственные препараты также могут влиять на уровень биологических индикаторов. Новые данные свидетельствуют о том, что аспирин может нарушать процесс биологической трансформации ксилола в метилгиппуровую кислоту, а фенилсалицилат, широко применяемое обезболивающее, может существенно повышать уровень фенола в моче. При употреблении содержащих алюминий антацидных препаратов повышается уровень алюминия в плазме крови и моче. Заметные различия в метаболизме наиболее широко используемых растворителей (толуол, ксилол, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, метилхлороформ) были обнаружены среди различных этнических групп. Уровень биологических индикаторов может изменяться при различных патологических состояниях организма. Из-за специфического действия токсических агентов или по каким-либо другим причинам критический орган при анализе подчас ведет себя аномально. Примером ситуации первого типа может служить уровень кадмия в моче: при тубулопатиях выведение кадмия с мочой заметно усиливается, и уровень, полученный при анализе, не отражает степень воздействия. Пример ситуации второго типа - повышение уровня эритроцитарного протопорфирина у людей с недостаточностью железа и не демонстрирующих аномальной абсорбции свинца.

Физиологические сдвиги параметров биологических сред организма (например, мочи), в которых осуществляется определение биологических индикаторов, также влияет на результаты исследования. Например, уровень индикатора в моче в течение дня может быть различным вследствие физиологических изменений удельного веса мочи.

Чтобы преодолеть данную проблемы, не рекомендуется использовать для анализа слишком разведенную или концентрированную мочу (то есть со слишком низким или высоким удельным весом или содержанием креатинина). Желательно исследовать мочу с удельным весом выше 1,01 и ниже 1,03 или с концентрацией креатинина выше 3.0 г/л и ниже 0,5 г/л. Некоторые авторы предполагают при анализе уровня индикаторов учитывать удельный вес или содержание креатинина в моче.

Патологические изменения во внутренних средах организма также могут значительно влиять содержание биологических индикаторов. Например, у людей с анемией, подвергшихся воздействию металлов (ртути, кадмия, свинца и т.п.), уровень металла в крови может быть гораздо ниже предполагаемого при подобном воздействии; что объясняется малым числом эритроцитов, транспортирующих токсичный металл в системе кровообращения.

В силу этого при определении токсичных веществ или метаболитов, связанных с эритроцитами, в цельной крови, целесообразно определить гематокрит, показывающий процентное содержание эритроцитов в цельной крови.

КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

В случае одновременного воздействия нескольких токсичных веществ возникающие нарушения метаболизма изменяют поведение биологических индикаторов, что создает серьезные проблемы при интерпретации результатов. Подобная ситуация наблюдается, например, при комплексном воздействии толуола и ксилола, ксилола и этилбензола, толуола и бензола, гексана и метилэтилкетона, тетрахлорэтилена и трихлорэтилена. В частности, при подавлении биотрансформации растворителей уменьшается выделение их метаболитов с мочой (возможна недооценка риска), тогда как уровень самих растворителей в крови и в выдыхаемом воздухе повышается (возможна переоценка риска).

Поэтому, при возможности измерения и уровня химикатов, и их метаболитов, желательно проверить, не является ли уровень метаболитов в моче ниже ожидаемого, а концентрация химикатов в крови и/или в выдыхаемом воздухе - выше ожидаемого. Нарушения метаболизма были описаны при воздействии химикатов с концентрацией, близкой или ниже ПДК. Однако, если концентрация каждого вещества ниже ПДК, при их воздействии подобные нарушения, как правило, не возникают.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ

Биологические индикаторы могут использоваться в здравоохранении с различными целями, в частности для (1) периодического обследования здоровья отдельных рабочих; (2) анализа воздействия на группы рабочих и (3) эпидемиологических оценок. Используемые тесты должны быть особенно точными, высокочувствительными и специфичными, чтобы свести к минимуму вероятность неправильных выводов.

СТАНДАРТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И СТАНДАРТНЫЕ ГРУППЫ

Стандартная величина - это средний уровень биологического индикатора у большинства населения, не подвергавшегося на производстве в период обследования воздействию токсичных агентов. Эти величины используются для сравнения с данными, полученными при биологическом мониторинге населения, предположительно подвергшегося воздействию. Стандартную величину не следует путать с пороговой величиной, которая обычно означает ПДК воздействия на производстве и в окружающей среде

При сравнении данных анализов по различным группам населения необходимо знать распределение величин в стандартной и исследуемой группах. Только тогда можно провести статистическое сравнение. В этом случае важно попытаться уравнять основную популяцию (стандартную группу) с группой, подвергшейся воздействию, по таким характеристикам, как пол, возраст, образ жизни, особенности питания. Для получения достоверных стандартных величин необходимо быть уверенным, что лица, составляющие стандартную популяцию, никогда не подвергались воздействию токсичных веществ.

При оценке воздействия токсичных веществ необходимо удостовериться, что в стандартную группу не входят люди, хотя и не подвергавшиеся вредному воздействию, но работающие там же, где и те, кто имел контакт с загрязнителями. Это важно, поскольку первые фактически подверглись косвенному воздействию, и, следовательно, степень воздействия загрязнителей на группу может быть недооценена. Другая распространенная ошибка, которой следует избегать, - это использование для сравнения величин, опубликованных в научной литературе, без учета того, что они определялись для других стран и нередко в регионах с совершенно другой экологической ситуацией.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РАБОТНИКОВ

Периодический мониторинг каждого работника обязателен на тех рабочих местах, где уровень токсичных веществ в атмосфере приближается к пороговому. При этом желательно одновременно исследовать как индикаторы уровня, так и индикаторы эффекта. Полученные данные необходимо сравнить со стандартными и пороговыми величинами, определенными для изучаемых веществ

АНАЛИЗ ГРУПП РАБОТНИКОВ

Анализ групп работников обязателен в том случае, когда результаты, полученные при использовании биологических индикаторов, заметно искажаются факторами, не зависящими от воздействия (диета, концентрированная или разбавленная моча и т.п.), а также для которых показателен большой разброс «нормальных» величин. Для получения достоверных данных исследуемые группы должны включать большое число рабочих и быть достаточно однородными с точки зрения подверженности воздействию, пола и даже места на производстве. Если уровень воздействия длительное время не изменяется, полученные результаты будут более достоверными. На предприятиях, где работники часто меняют помещение или вид деятельности, величина загрязнения будет небольшой. Для правильной оценки при исследованиях групп недостаточно получить данные только в виде величин и их разброса. В результаты должны быть обязательно включены интервалы распределения величин биологических индикаторов.

ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ

Данные, полученные при изучении групп рабочих, могут быть также использованы в профильных или интерполяционных эпидемиологических исследованиях. Профильные исследования предпринимаются для сравнения ситуации, складывающейся в различных цехах завода или на разных промышленных предприятиях. Для этого составляются карты риска для различных производственных процессов. Проблема подобных исследований состоит в том, что межлабораторный контроль качества пока не получил широкого распространения, поэтому нет гарантии, что результаты исследований из различных лабораторий сопоставимы друг с другом.

Интерполяционные исследования служат для оценки картины при различных уровнях воздействия в течение длительного периода времени. Например, для того, чтобы проверить, улучшились ли условия среды, установить взаимосвязь между изменениями биологических индикаторов и состоянием здоровья наблюдаемых субъектов. Результаты таких долговременных исследований весьма полезны, вследствие мониторинга осуществляются перемены. Сегодня биологический мониторинг используется в основном для определения «безопасности» текущего воздействия, однако, он не подходит для оценки ситуации в условиях долговременного воздействия. Уровень воздействия, в настоящее время считающийся безопасным, в будущем может таковым не являться.

ЭТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При подходе к биологическому мониторингу как некому инструменту оценки потенциальной токсичности, необходимо принимать во внимание некоторые этические соображения. Одна из задач мониторинга это сбор информации для того, чтобы решить, при каком уровне того или иного воздействия могут проявиться нежелательные эффекты; при отсутствии достаточных данных могут возникнуть нежелательные осложнения. Необходимо оценить возможность регулирования и легального использования подобной информации, механизмы оптимального использования биологических индикаторов. Иначе говоря, необходимо просвещение рабочих, служащих общественных и управленческих структур с целью правильного понимания целей и пользы биологического мониторинга.

Люди, прошедшие обследование, должны быть осведомлены об его результатах. Значение всех индикаторов (использующихся или не использующихся в эксперименте) должно быть понятно всем его участникам. Международный этический кодекс по профилактике профессиональных заболеваний, изданный Международной комиссией по профилактике профзаболеваний в 1992 г., гласит, что «при выборе биологических тестов и других исследований должны учитываться их полезность для охраны здоровья рабочих, чувствительность, специфичность и ценность». Не должны использоваться тесты, «недостоверные или не имеющие достаточной значимости».

НАПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Методы биологического мониторинга разработаны пока лишь для небольшого числа загрязнителей. Это сильно ограничивает его использование при оценке степени вредного воздействия. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), например, предоставила данные только по свинцу, ртути и кадмию. К тому же, они включают лишь концентрации металлов в моче и в крови, а связь между этими величинами и отрицательными эффектами не приведена. Американская конференция гигиенистов, работающих на государственных промышленных предприятиях, (ACGIH) определила индексы биологического воздействия (ИБВ) приблизительно для 26 соединений. ИБВ определены как «величины детерминантов, демонстрирующие степень объединенного воздействия промышленных химикатов» (ACGIH, 1995).

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

(ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина»)

Институт естественных наук

УТВЕРЖДАЮ

Директор

Рабочая программа дисциплины (модуля)

Биологический мониторинг

и состояние окружающей среды

Направление подготовки

05.04.06 Экология и природопользование

Направленность (профиль) программы

Экологическая безопасность

и управление природопользованием в Арктическом регионе

Сыктывкар – 2017

Рабочая программа учебной дисциплины (модуля) составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО, целями (миссией) и задачами ОПОП ВО по направлению подготовки 05.04.06 Экология и природопользование, направленность (профиль) Экологическая безопасность и управление природопользованием в Арктическом регионе.

Рабочая программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры экологии, протокол от «14» сентября 2017 г. №2.

Заведующий кафедрой ______________________________

Руководитель основной профессиональной

образовательной программы, ____________________________

1 Цель и задачи учебной дисциплины (модуля)

Цель учебной дисциплины (модуля) «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» состоит в подготовке обучающегося к работе по проведению биологического мониторинга окружающей среды.

Задачи учебной дисциплины (модуля):

− способствовать формированию системы знаний о способах мониторинга состояния окружающей среды;

– продолжить формирование биоцентрической картины мира и воспитание бережного отношения к миру в целом;

− создать условия для формирования умений контроля состояния окружающей среды посредством биоиндикации и биотестирования.

2 Место дисциплины в структуре ОПОП ВО

Дисциплина «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» относится к дисциплинам по выбору вариативной части блока базовых дисциплин. Она тесно связана с такими дисциплинами, как «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании» и «Методы анализа и контроля качества окружающей среды», а сама является возможной основой для производственной практики (в зависимости от специализации обучающегося).

3 Планируемые результаты обучения, соотнесенные с планируемыми

результатами освоения образовательной программы

	Планируемые результаты обучения

ПК-2 (способность творчески использовать в научной и производственно-техноло-гической деятельности знания фундаментальных и прикладных разделов специальных дисциплин программы магистратуры)	область применения биомониторинга	проводить биоиндикацию и биотестирование различных сред и объектов
ПСК-1 (готовность использовать современные методы для оценки физико-химических аспектов антропогенного воздействия на живую природу Арктики)	предъявляемые к биоиндикаторам и биотестерам требования	адаптировать известные методики биомониторинга к арктическому региону	методами организации системы биомониторинга

структурированное по темам (разделам)

4.1 Общая трудоёмкость дисциплины: 3 зачётные единицы, 108 часов.

Биологический мониторинг как составляющая экологического мониторинга. Возможности, преимущества и недостатки оценки состояния окружающей природной среды по абиотическим и биотическим показателям. Основные задачи, направления и приоритетные объекты биомониторинга. Нормативная база биологического мониторинга и тенденции ее развития.

Биологические индикация и тестирование как составляющие части биологического мониторинга. Биоиндикаторы и тест-объекты, критерии их выбора и оценки состояния. Техническое обеспечение биологического мониторинга. Пробоотбор. Камеральная обработка материала. Основные статистические и математические методы анализа результатов биологического мониторинга. Обработка и интерпретация результатов биологической оценки состояния окружающей среды. Особенности организации комплексного биомониторинга на объектах разного типа. Биологический мониторинг человеческих популяций на уровне генотипа: современное состояние, перспективы и опасности.

Способы оценки общего состояния среды по структуре, составу, количественным и качественным показателям растительных сообществ. Определение экологических условий сообщества по экологическим шкалам. Выявление изменений условий среды при антропогенном прессе. Оценка состояния водных объектов по животному населению и альгоценозам. Фауна почвы как показатель её состояния; почвенные альгоценозы как биоиндикатор. Оценка состояния воздушной среды по составу и проективному покрытию сообществ лишайников.

Использование математического аппарата для сравнения состояния среды в разных точках и его динамики на одной точке наблюдения.

Использование фенотипических показателей особей внутри популяций растений и животных для индикации общего состояния среды. Биологический мониторинг состояния ценотических популяций растений по возрастным и онтогенетическим состояниям. Построение индивидуальных, характерных и базовых возрастных и онтогенетических спектров. Расчёт индексов экологического состояния ценотической популяции: возрастного, возобновления, замещения, старения, эффективности и т. д. Построение большой волны развития ценопопуляции. Онтогенез растения и его поливариантность; влияние среды на выбор варианта развития растений. Прогностическая ценность изучения ценотических популяций индикаторных видов. Наличие и отсутствие отдельных организмов как индикатор состояния окружающей среды. Использование показателей угнетённости и стерильности организмов в качестве показателей напряжённости.

Жизненные формы растений как интегральный показатель состояния окружающей среды. Существующие и оптимальные для биологического мониторинга системы жизненных форм. Базовые, экологические, онтогенетические и фенологические жизненные формы как компоненты общевидовой жизненной формы. Онтоморфогенез и сезонный цикл как динамические смены частных жизненных форм; отклонения от типичного хода этих процессов как показатель воздействия среды. Использование отдельных аспектов строения организмов в популяции для оценки состояния среды. Оценка состояния среды по асимметрии растительных и животных организмов: макро - и микроморфологический уровень. Использование ферментной активности почвы для оценки её экологического состояния: каталазная, уреазная и т. д. Дыхание почвы как показатель её состояния. Тест-системы для комплексной оценки состояния окружающей среды. Трансплантация лишайников как метод оценки состояния воздушной среды. Использование почвенных водорослей и сосудистых растений в качестве биотестеров для оценки состояния почвы.

Использование разнообразных организмов как биотестеров для оценки качества воды: простейшие, ракообразные, водоросли и растения; особенности применения микроорганизмов-биотестеров. Allium-тест и Vicia-тест как многокомпонентные способы биотестирования: морфологический, морфометрический и генетический уровни анализа.

4.3 Тематический план дисциплины (отдельно для каждой формы обучения)

Раздел (тема) дисциплины (модуля)	Компетенции	Виды учебной работы (включая самостоятельную работу студентов) и трудоемкость (в часах)	Оценочные средства
Практические занятия	Лабораторные занятия	Самостоятельная работа
Введение в дисциплину
Мониторинг на уровне геосистемы				Отчёты по практическому занятию, вопросы на зачёте
Мониторинг на уровне сообщества				Отчёты по практическому занятию, вопросы на зачёте
Мониторинг на уровне популяций				Отчёты по практическому занятию, вопросы на зачёте
Мониторинг на уровне организма				Отчёты по практическому занятию, вопросы на зачёте
Биотестирование				Отчёты по практическому занятию, вопросы на зачёте

5 Оценочные средства для проведения текущего контроля

и промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине (модулю)

См. Приложение.

6 Перечень основной и дополнительной учебной литературы,

необходимой для освоения дисциплины

Основная литература

Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / под ред. , . М., 2010. 288 с.

Биологический контроль окружающей среды: генетический мониторинг. М., 2010. 208 с.

7 Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Для изучения основных разделов дисциплины «Биологический мониторинг и состояние окружающей среды» обучающимся необходимо проработать всю литературу, рекомендуемую на лекциях к каждому виду работы. Для развития навыков индивидуальной работы обучающимся необходимо выполнить задания практических работ с учётом методических рекомендаций. Для развития навыков самостоятельной работы обучающимся необходимо выполнять индивидуальные задания, самостоятельно готовиться к выполнению практических работ и к зачёту.

Обучающихся из числа инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья могут осваивать дисциплину в электронной образовательной среде с консультациями преподавателя.

Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов приведено в посвящённом дисциплине разделе на личном сайте с электронной образовательной средой.

8 Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети

«Интернет», необходимых для освоения дисциплины

http://dokkalfar. ru/course/view. php? id=7

9 Перечень информационных технологий, используемых

при осуществлении образовательного процесса по дисциплине,

включая перечень программного обеспечения

и информационно-справочных систем

При освоении дисциплины на аудиторных занятиях используются мультимедийные презентации; поддержка курса реализована на базе LMS “Moodle”. Для выполнения индивидуальных (самостоятельных) работ, а также сдачи отчётов по всем видам выполненных работ обучающимся нужен доступ к Internet, браузер любого типа, а также текстовый редактор типа Microsoft Word (или его аналог) и табличный редактор Microsoft Excel (или его аналог).

10 Описание материально-технической базы,

необходимой для осуществления образовательного процесса

по дисциплине

Для проведения лекционных занятий необходима аудитория, оборудованная средствами демонстрации электронных презентаций (компьютер, мультимедийный проектор и экран или сенсорная доска со встроенным проектором), а также имеющая затемнение на окнах.

Для проведения некоторых практических занятий необходим кабинет, оснащённый компьютерной техникой в соответствии с числом обучающихся в подгруппе (группе), которая приходит на аудиторное занятие; в кабинете также должен быть обеспечен доступ к Internet. Доступ в эту или аналогичную аудиторию должен быть свободен вне аудиторных часов для выполнения индивидуальных (самостоятельных) работ.

Для другой части практических занятий необходима лаборатория, оборудованная микроскопами отражённого и проходящего света (по одному каждого типа на двух обучающихся), вспомогательным оборудованием и материалами для микроскопирования, а также специализированной химической посудой и реактивами для выполнения работ по биотестированию.

Обучающиеся-инвалиды и лица с ограниченными возможностями здоровья должны быть обеспечены оборудованием в соответствии с их возможностями; конкретный список должен составляться под каждого такого обучающегося индивидуально.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)

1 Описание показателей и критериев оценивания компетенций

на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания

Код компетенции	Индикаторы достижения	Критерии оценивания
	Не зачтено
	Знать область применения биомониторинга	Ответ полный, есть понимание причин ограничения сферы применения биологического мониторинга	Знания отсутствуют или при ответе допущено много фактических ошибок. Нет понимания причин ограничения сферы применения биологического мониторинга
Уметь проводить биоиндикацию и биотестирование различных сред и объектов	Продемонстрированы умения проведения общеупотребительных методик биоиндикации и биотестирования	Не продемонстрированы умения проведения некоторых из общеупотребительных методик биоиндикации и биотестирования
	Знать предъявляемые к биоиндикаторам и биотестерам требования	Ответ полный, есть понимание причин возникновения всех требований к биоиндикторам и биотестерам	Знания отсутствуют или при ответе допущено много фактических ошибок, нет понимания причин возникновения некоторых требований к биоиндикторам и биотестерам
Уметь адаптировать известные методики биомониторинга к арктическому региону	Продемонстрированы умения адаптации базовых общеупотребительных методик к условиям арктического региона	Отсутствует умение адаптации хотя бы одной базовой общеупотребительной методики к условиям арктического региона
Владеть методами организации системы биомониторинга	Есть опыт профессиональной деятельности и показана готовность и умение самосовершенствоваться	Нет опыта профессиональной деятельности или не показана готовность или умение самосовершенствоваться

2 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые

для оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности,

характеризующих этапы формирования компетенций

в процессе освоения образовательной программы

2.1 Примеры заданий для оценки уровня «знать»:

– охарактеризуйте ниже понятия «трофность» и «сапробность» водоёмов; приведите конкретные методики их определения; покажите значение этого для биомониторинга среды;

– опишите, какие ещё известные Вам индексы (помимо рассмотренных на практической работе) и как можно использовать при ведении биомониторинга; какие редакции формул этих индексов Вам известны;

– опишите ниже известные Вам методики оценки состояния окружающей среды по фенам других (относительно рассмотренного в предыдущей лабораторной работе) организмов; кратко охарактеризуйте эти методики.

2.2 Примеры заданий для оценки уровня «уметь»:

– используя те же данные, что и для второй практической работы, определите экологические ареалы предложенных стадий деградации исходного сообщества по шкалам; ответ представьте в виде текста; диаграмма не требуется;

– на участке площадью не менее 100 м2 или на трансекте длиной не менее 500 м оцените жизненность не менее 100 экземпляров деревьев каждого вида (породы); дайте комплексную оценку состояния древостоя и сравните её с таковой как минимум ещё в одной точке.

2.3 Пример задания для оценки уровня «владеть»:

– предложите схему организации и осуществления биологического мониторинга объекта «Особо охраняемая природная территория» (на примере любого комплексного заказника, расположенного рядом с крупным населённым пунктом); схема должна включать: 1) оценку воздействия объекта на окружающую среду (положение, физико-географическая характеристика с указанием господствующих направлений и сил ветров, направлений стока поверхностных и подземных вод, важнейшие загрязнители при штатных и внештатных ситуациях); 2) характеристика важнейших загрязнителей (тип, действие на живые объекты, способность к перемещению, аккумуляции и рассеиванию); 3) предлагаемые подходы, методы и методики биологического мониторинга (биоиндикация и/или биотестирование) с обоснованием их применения; 4) схема расположения пунктов пробоотбора и/или постоянных пробных площадей натурного биотестирования и биоиндикации (с указанием расположения по сторонам света и расстояний от объекта; желательно приложение соответствующей карты-схемы); 5) сроки проведения мероприятий биомониторинга с их обоснованием; 6) возможные результаты конкретных методик и их интерпретация; критические значения по каждой методике.

3 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания

знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующих

этапы формирования компетенций (при необходимости)

Оценка производится в электронной среде, где для каждого задания указывается порядок его сдачи и последующего оценивания.

Человек у природы – самый способный ученик. Но минули тысячелетия, прежде чем он ощутил свою силу и «взялся» за природу. Сначала главным в его отношениях с землей стала погоня за прибылью. Весь свой опыт, интеллектуальную мощь и стремительно развивающиеся технические средства он бросал на эксплуатацию тех природных ресурсов, которые могли принести максимальный доход в кратчайшие сроки. Не давая себе труда особенно размышлять, в какой тонкий механизм и как грубо он вмешивается, человек обрушил массированные удары вокруг себя, безвозвратно стер с Земли многие виды млекопитающих, птиц, растений, однако восстановить живой организм, а тем более биологический вид он пока не может.

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время большое 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. При организации биологического мониторинга выделяют подсистему наблюдений за реакцией основных составляющих биосферы – биотической составляющей

Целью биологического мониторинга является анализ природных объектов по биотическим показателям для экологического их контроля. В рамках поставленной цели основной задачей биологического мониторинга является определение биотической составляющей биосферы, ее отклика, реакции на антропогенное воздействие, определение функции состояния и отклонения этой функции от нормального состояния на различных уровнях: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, уровне общества. Биологический мониторинг предназначен для решения следующих задач:

1) Информационное обеспечение деятельности по сохранению биоты, т.е. определение состояния биотической составляющей биосферы (на различных уровнях организации биосистем) и ее реакции на антропогенное воздействие;

2) Оценка состояния окружающей среды по биотическим параметрам. Особую роль играет выявление начальных стадий неблагоприятных изменений среды, к которым многие компоненты биоты на много чувствительнее, чем человек. Биологический мониторинг включает мониторинг живых организмов – популяций (по их числу, биомассе, плотности и др. функциональным и структурным признакам), подверженных антропогенному воздействии. Его объектами могут быть отдельные виды флоры и фауны, а также экосистемы. Например, хвойные породы чувствительны к радиоактивному загрязнению, лишайники – к тяжелым металлам, многие представители почвенной фауны – к техногенному загрязнению. В этой подсистеме выделяются следующие наблюдения:

1) за важнейшими популяциями как с точки зрения существования экосистемы, характеризующей своим состоянием благополучие той или иной экосистемы, так и с точки зрения большой хозяйственной ценности, например, ценные виды растений или породы рыб;

2) за наиболее чувствительными к данному виду воздействия популяциями;

3) за состоянием здоровья человека, воздействием окружающей среды на человека;

4) за популяциями – индикаторами.

Таким образом, подсистемой биомониторинга является мониторинг популяции конкретных биологических видов:

1) средообразующих популяций, очевидно для существования всей экосистемы (например, популяции доминирующих видов деревьев в лесных экосистемах);

2) популяций, имеющих большую хозяйственную ценность (например, ценные виды рыб); 3) популяции-индикаторы, состояние которых характеризует степень благополучия той или иной экосистемы и которые наиболее чувствительны к антропогенному воздействию (например, планктонные рачки Epishura baikalensis в озере Байкал в зоне воздействия целлюлозно-бумажного комбината).

Биологический мониторинг, как правило, входит в качестве подсистемы в состав экологического мониторинга. Как известно, качество среды (почвы, воды, воздуха, биоты) можно отслеживать двумя методами:

· физико-химическим;

· биологическим.

Биологический мониторинг направлен на выявление и оценку антропогенных процессов, связанных с изменением биоты, биологических систем, на прогноз развития этих систем. Состояние биологических систем оценивается по:

o продукции всех основных звеньев трофической цепи;

o стабильности структуры и разнородности отдельных трофических уровней;

o скорости протекания обмена веществ и расходования энергии в экосистеме, характеризующих степень биологического самоочищения системы.

Для целей биологического мониторинга в качестве функциональных показателей используют показатели риска (прирост биомассы), показатели трат на дыхание, показатели потребления и усвоения пищи. Кроме того, при организации контроля за состоянием биоты особое внимание должно уделяться:

§ колебаниям общей численности популяции и выяснению причин этих колебаний;

§ изменениям в возрастном и половом составе популяции;

§ изменению половых процессов и интенсивности размножения;

§ изменению репродуктивного цикла;

§ изменению в эмбриональном развитии.

Экологические основы биоиндикации

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание загрязняющих веществ и т. д.), так и биотических факторов (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Все биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания. Они завладели внутри биосферы определенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться. Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым.

Такие понятия как «диапазон толерантности», «зоны оптимума», «зоны пессимума» вытекают из базовых законов экологии, таких как Закон минимума Либиха и Закон толерантности Шелфорда. Наглядно эти понятия демонстрирует графическое представление функций отклика организма на действующий на него фактор или группу факторов.

На рис. 3 - частная функция отклика, описывающая показатель смертности популяции.

Индикаторная ценность вида определяется его реакцией (функцией отклика ) на диапазон изменения фактора. При широком диапазоне толерантности организмы называются эврипотентными, при узком диапазоне толерантности – стенопотентными .

Стенопотентные организмы являются более ценными в биоиндикаторном смысле, поскольку небольшое изменение значения фактора влечет за собой существенные изменения функций отклика.

Как правило, функция отклика организма на отдельный фактор имеет форму выпуклой кривой, нарастающей до некоторого максимума, а затем убывающей до минимума, за которым наступает либо смерть, либо отсутствие организма в данной местности (данных условиях).

Зоной оптимума называют интервал значений фактора, в котором организм ощущает себя наиболее комфортно.

Зоной пессимума называют участок на шкале значений фактора, когда физиологические реакции организма минимальны либо приближаются к летальному исходу.

Будучи взаимозаменяемыми, отдельные факторы или их сочетание могут приводить к сходному эффекту. Поэтому для исследователя проблемным является нахождение соответствия видимой реакции организма совокупности искомых факторов, приведших к данной реакции.

Для уточнения и выявления факторов, ответственных за определенные реакции организмов применяют биотестирование.

Биотестирование – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности в зависимости от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используют стандартизированные 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. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения, что очень важно для выявления реакции организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания.

Хотя биоиндикация и биотестирование очень близки по конечной цели исследования, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия для биоты от загрязнения окружающей среды, а биоиндикация осуществляется на уровне отдельного организма, популяции или сообщества и характеризует результат загрязнения в целом.

Живые объекты – открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Стрессоры биологических систем и их индикаторная значимость

Индикаторная значимость организмов определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз (постоянство внутренней среды и физиологических функций). Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от биологического вида и является показателем его индикаторной ценности.

Стресс – это понятие, используемое во многих областях науки. Впервые в качестве научного термина оно было введено в 1936 г. канадским патологом Гансом Селье и вскоре проникло в обиходный язык, прежде всего как обозначение неспецифического психического напряжения.

В биологии под стрессом понимается реакция биологической системы на экстремальные факторы среды (стрессоры), которые в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности воздействия могут более или менее сильно влиять на живую систему.

В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных различных биотических и абиотических стрессоров. За время эволюции организмы приспособились к ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, к холоду, жаре, засухе, путем периодического изменения активности (впадая в спячку или анабиоз), что делает их устойчивыми к влиянию стрессоров.

Другие организмы могут уклоняться от воздействия экстремальных условий среды при помощи специфических приспособлений (избегание стресса). Так, например, глубоко укоренившиеся растения не чувствительны к поверхностному пересыханию почвы, ряд растений или животных ставит на пути стрессоров химические или физические барьеры.

Опишем возможные виды естественных стрессоров.

Стрессоры окружающей среды

Антропогенные стрессоры, которых бесчисленное множество, либо действуют непосредственно на организмы, либо модифицируют имеющиеся факторы среды и тем самым превращают их для многих организмов в стрессовые. Один только огромный прогресс в области транспорта, гигиены и пищевой промышленности способствовал возникновению в минувшее десятилетие много тысяч новых химических продуктов, многие из которых обладают экстремальной биологической активностью.

Опасность антропогенных стрессоров состоит в том, что биологические системы – будь то организмы, популяции или биоценозы – недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что в живых системах часто не успевают активизироваться соответствующие адаптационные процессы. Многие антропогенные факторы среды потому и становятся опасными стрессорами, что они отличны по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от той, обычно существующей в природе «нормы», к которой адаптированы биологические системы. В результате они часто влияют на диапазон толерантности, что нередко приводит к превышению допустимой нагрузки на организмы и распаду биологической системы.

Следует также обратить внимание на то, что в природе на организм воздействует не один стрессор, а целый комплекс нарушающих факторов. При этом какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

Виды антропогенных стрессоров и их нарушающее воздействие представим в виде таблицы.

Стрессор	Нарушающее воздействие
Температура
Холод (мороз) Жара	Потеря полупроницаемости клеток, затвердевание липидов, деструкция белков, замедление метаболических (обменных) процессов, затвердевание и расширение воды Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток
Вода
Сухость Затопление	Дегидратация (обезвоживание), концентрирование растворенных веществ, сжатие клеток Гидратация, недостаток кислорода, сжатие клеток
Облучение
Инфракрасное и видимое УФ-излучение Ионизирующее излучение	Фотосенсибилизация (повышение чувствительности к свету), фотохимическая реакция Сенсибилизация к действию излучения Сенсибилизация, радиохимическая реакция, агрегация белков
Химические вещества
Соли Ионы Недостаток кислорода Cернистый ангидрид (SO 2) Аммиак (NH 3)	Дисбаланс ионов, потеря полупроницаемости клеток Ионообмен Нарушение метаболических процессов Образование нерастворимых сульфитов Образование амидов, изменение кислотности (pH)
Физические факторы
Давление Шум Скашивание травы, скусывание Ветер Электричество Магнетизм	Сжатие клеток, изменение внутриклеточного давления, прекращение роста клеток Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Механическое повреждение клеток и их сжатие Разжижение липидов, агрегация белков, потеря полупроницаемости клеток Дезориентация ионов, потеря полупроницаемости

Преимущества биоиндикации

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают биоиндикаторы:

Ø в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

Ø суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;

Ø исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

Ø фиксируют скорость происходящих изменений;

Ø вскрывают тенденции развития природной среды;

Ø указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути попадания их в пищу человека;

Ø позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действия.

Приведем еще несколько аргументов в пользу биоиндикации:

1) фактор не может быть изменен . Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену холодного климата теплым влажным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае, остатки диатомовых водорослей позволили утверждать, что в прошлые эпохи вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

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

3) фактор легко измерить, но трудно интерпретировать . Данные о концентрации в окружающей среде различных загрязнителей не содержат ответа на вопрос насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели ПДК различных веществ разработаны лишь для человека, однако очевидно, что эти показатели не могут быть распространены на другие организмы. Есть более чувствительные чем человек виды по отношению к отдельным загрязнителям. Поэтому биоиндикация позволяет оценить биологические последствия, не взирая на то, достигнуты ли нормы ПДК для человека.

Формы биоиндикации

Выделяют 2 формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации – специфическую и неспецифическую .

В первом случае изменение живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает на листьях табака серебристые некрозные пятна.

Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить по разным причинам: при загрязнении почвы, вытаптывании, во время засухи или по другим причинам.

Схематически обе формы биоиндикации можно представить следующим образом:

Специфическая Неспецифическая

биоиндикация биоиндикация

Б α Б β

В В

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию.

О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В приведенном выше примере серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других факторов среды (либо абиотических, либо биотических). Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55% до 12%) и соответственно к увеличению роста разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тли. Изменения в соотношении двух групп насекомых – пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

Схематически это можно изобразить следующим образом:

Прямая Косвенная

биоиндикация биоиндикация

факторы реакция факторы реакция

среды живой системы среды живой системы

Типы биоиндикаторов и критерии их выбора

Как уже отмечалось биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы в целом), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, то употребляют термин «биоиндикаторные системы»

Выделяют 2 типа биоиндикаторов:

v чувствительный – быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонение в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора;

v аккумулятивный – накапливает воздействие без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и т. п.), лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т. д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу проявит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик:

· специфичность;

· чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы (обладает низкой избирательностью). При высокой специфичности – реагирует только на один фактор воздействия.

Говорят что биоиндикатор обладает низкой чувствительностью , если он отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы (реагирует только на сильные воздействия). При высокой чувствительности биоиндикатор реагирует даже на незначительные воздействия.

Тест-организмы – это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.

Примеры тест-организмов:

§ одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия, относящиеся к лишайникам);

§ простейшие (инфузория-туфелька);

§ членистоногие (рачки дафния и артемия);

§ мох мниум;

§ цветковые (злак плевел, кресс-салат).

Рассмотрим требования (критерии) при выборе организмов в качестве биоиндикаторов.

ü быть типичным для данных условий;

ü иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

ü обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;

ü находиться в условиях, удобных для отбора проб;

ü характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования, т.е. в воздействующем факторе или субстрате;

ü использоваться в естественных условиях его существования;

ü иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономики и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, тех, которые широко распространены на исследуемой территории и не занесены в «Красную книгу».

На уровне популяции биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется ее половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и другое.

Экосистемный подход к оценке среды дает возможность ранней диагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких процессов является накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процесса.

Методы контроля при биоиндикации

Отклонение характеристик биоиндикатора в нарушенной среде необходимо сравнивать с нормой или «контролем». В зависимости от ситуации используются разные подходы:

1. Сравнение с характеристиками объекта вне зоны воздействий . Например, чтобы выявить изменение растительных сообществ при промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами, расположенными вне зоны антропогенного воздействия.

2. Сравнение с результатами эксперимента . В лабораторных опытах часть тест-организмов контактирует с загрязненной почвой, водой или воздухом, другая же часть (контрольная группа) – с заведомо чистыми субстратами. Для тестирования воздуха, например, применяют специальные камеры с тест-растениями. Через опытные камеры пропускают загрязненный воздух, а через контрольные – воздух, профильтрованный с помощью активированного угля.

3. Сравнение с характеристиками объектов в прошлом до воздействия человека (исторические стандарты) . Некоторые типы экосистем, например, европейские степи, практически утратили свой начальный облик. В таких случаях о степени их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям или из художественных произведений прошлого.

Особенности биоиндикации на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: на уровне биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), на уровне сообществ, экосистем и биосферы в целом.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические формы. Однако, именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинство заключается в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации загрязнителей, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы – требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия загрязнителей следующие:

ü нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

ü изменение концентрации и активности макромолекул (ферментов, белков, аминокислот, жиров, углеводов);

ü аккумуляция вредных веществ;

ü нарушение физиологических процессов в клетке (метаболических процессов);

ü изменение размеров клеток.

Организменный уровень биоиндикации

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

Преимущество биоиндикации на этом уровне - небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальная лаборатория и высокая квалификация персонала.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используют при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод, степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски листьев, различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

При этом следует заметить, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван как недостатком железа в почве, так и ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать действие других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы . Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма (связанные с действием загрязняющего вещества) без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида начинают проявляться различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и в конечном счете, снижении продуктивности.

Индикаторные признаки растений классифицируют на 4 вида:

· флористические;

· физиологические;

· морфологические;

· фитоценотические.

Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшегося вследствие определенных экологических условий, в сравнении с другими участками с иными экологическими условиями. При этом индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида.

К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ у растений.

К анатомо-морфологическим признакам относятся особенности внутреннего и внешнего строения различного рода аномалий развития и появление новообразований.

Фитоценотические признаки – особенности структуры растительного покрова, в частности и рассеянность вида.

Рассмотрим более детально морфологические изменения растений и причины их вызывающие:

· изменение окраски листев . Причины и виды изменения окраски:

◦ хлороз – бледная окраска листьев между жилками; отмечается при избытке в почве тяжелых металлов и газодымовом загрязнении воздуха;

◦ пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами;

◦ покраснение – 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, при действии пероксиацетилнитрата;

◦ серебристая окраска листьев возникает под действием озона, в частности на листьях табака.

· некрозы – отмирание участков ткани листа, иногда в специфической форме. Бывают:

◦ точечные и пятнистые. Например, у табака при действии озона серебристого цвета;

◦ межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками. Возникает под действием SO 2 ;

◦ краевые. Например, на листьях липы под действием соли (NaCl), которой зимой посыпают улицы;

◦ «рыбий скелет» - сочетание межжилковых и краевых некрозов;

◦ верхушечные некрозы. Например, у хвойных растений хвоинки становятся на вершине бурыми.

· преждевременное увядание. Например, под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает увядание листьев малины;

· дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, а у лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, у крыжовника и смородины – под действием сернистого газа;

· изменение размеров органов. Как правило, это проявление неспецифично. Например, хвоя сосны вблизи заводов по производству удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от SO 2 , у ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев;

· изменение формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локально возникающих некрозов происходит вздувание или искривление листьев, сращивание или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка;

· изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели.

Биоиндикация на примере животных

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):

§ размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:

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

У некоторых брюхоногих моллюсков размеры раковинок;

На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;

§ покровы – у тли (Aphis fabae) после добавления в пищу сульфат-ионов существенно изменялась зернистость покрова

§ окраска – явление более темной окраски в загрязненных районах отмечено у:

Бабочки пяденицы березовой;

Двухточечной божьей коровки (обычно доля черных форм составляет 2-3%, а в загрязненных районах – намного выше);

§ уродства – под действием ксенобиотиков (дизельного топлива, ДДТ и других) возникают нарушения формообразующих процессов в развитии насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огнёвки выросла от 5% до 35% при добавлении в пищу PbO. Исследование рыб (плотва, лещ, карась и др.) в Москве-реке в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и др. Так, у плотвы доля особей с уродствами составляла от 10 до 70%;

§ изменение толщины скорлупы яиц у птиц при питании пищей с примесями ДДТ.

2. Физиологические изменения:

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 или на брюшке. Число таких клеток обратно пропорционально уровню солености воды. При каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью воды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема.

Примеры биоиндикации на популяционно-видовом уровне

Популяция - естественная пространственная группировка особей одного вида. Характеризуется плотностью, структурой (половозрастной, экологической и пр.), особенностями динамики. Отклонения этих показателей от нормы и положены в основу биоиндикации с помощью популяций.

Растения

1. Плотность - количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м 2 , 1 км 2 , 1 га, 1 см 3 и т.д.).

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 и безлесных ландшафтах влияние последнего намного сильнее, чем в лесных.

Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофилов 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.

3. Экологическая структура популяций .Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов - групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. Популяции многих видов включают экотипы с высокой устойчивостью к определенным антропогенным воздействиям. Распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов происходит иногда очень быстро. Например, химизация и механизация сельского хозяйства привела к сильному сужению спектра изменчивости у мака-самосейки, что обнаружено при сравнении данных за 1950 и 1980 гг.

Животные

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

а) сокращение популяций:

· многочисленные примеры редких и вымирающих видов;

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

· тяжелые металлы в сочетании с SO 2 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;

б) рост популяций: озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов; короеда-типографа при действии газодымовых выбросов; сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины - уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов.

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.

Липиды (от греч. lipos – жир) – природные органические соединения, содержащие высокомолекулярные жирные кислоты. Содержатся во всех живых клетках (в мембранах) и образуют энергетический резерв.

Сенсибилизация (от лат. sensibilities – чувствительный) – повышение чувствительности организма к действию каких-либо раздражителей (вызывают аллергические реакции и заболевания)

Роль биологического мониторинга в сохранении здоровья работников. Политология

Направление подготовки

Направленность (профиль) программы

Водородный показатель среды растворов – pH Методы определения значения pH

Тема недели: «Зимние каникулы