Понятие биоиндикации и биотестировании. Сферы применения биоиндикации.

В настоящее время можно считать общепринятым, что в конечном итоге основным индикатором устойчивого развития является качество среды обитания. Любые современные технологии направлены на все более эффективное использование природных ресурсов, и тем самым на перестройку окружающей среды. В результате возникает ее деформация, нарушение равновесного состояния, возникают вначале локальные, а затем региональные и глобальные кризисы.

Антропогенные воздействия представляют собой, с одной стороны, новые состояния окружающей среды с иными параметрами, с – другой обуславливают модификацию уже имеющихся факторов, и тем самым изменение свойств биологических систем.

Наряду с прямыми физико-химическими методами определения качества среды особую значимость и популярность приобретает использование индикационных возможностей живых организмов. Это наиболее часто цитируемая, и, в то же время, наиболее расплывчатая область экологии, называемая – биоиндикацией. Хотя истоки наблюдений за индикаторными свойствами биологических объектов можно найти в трудах естествоиспытателей самой глубокой древности, до сих пор отсутствует стройная теория и адекватные методы биоиндикации.

Первые наблюдения в этой области сделали еще античные ученые: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327-287 гг. до н.э. Теофраст написал известную работу "Природа растений" в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего. Теофраст был основателем ботаники как самостоятельной науки: наряду с описанием применения растений в хозяйстве и медицине он рассматривал теоретические вопросы. Влияние трудов Теофраста на последующее развитие ботаники в течение многих столетий было огромным, так как учёные Древнего мира не поднимались выше него ни в понимании природы растений, ни в описаниях их форм.

Идею биоиндикации по растениям сформулировал ещѐ в первом веке до н.э. Колумелла: "Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти". Это направление, получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях и в настоящее время.

В своём главном сочинении — трактате «О сельском хозяйстве» (лат. «De re rustica», около 42) Колумелла подробно, со ссылками на собственный практический опыт, опыт своего дяди Марка Колумеллы и на труды своих римских и греческих предшественников — в частности, Авла Корнелия Цельса, рассказывает об основах сельскохозяйственной деятельности и даёт адресату трактата, некоему Публию Сильвину, множество полезных советов.

Трактат состоит из 12 книг, написан лёгким и изящным слогом в прозе, а 10-я книга о садоводстве — в стихах (гекзаметром). Помимо садоводства Колумелла рассматривает в трактате виноделие, выращивание маслин, разведение крупного и мелкого скота, птицы и рыбы, пчеловодство. К трактату примыкает также работа «О деревьях» (лат. «De arboribus»), в которой рассматривается культивирование плодовых и лесных деревьев в питомниках, посадка их и обрезка. Обе работы Колумеллы полностью сохранились, неоднократно переизданы в новое время, переведены на немецкий, французский, английский и частично на русский язык.

Безусловно, объективные факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности). Такие факторы среды, как свет, температура, водный режим, биогенные элементы (мак-ро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организмов на всех основных этапах жизненного цикла. Однако можно использовать обратную закономерность и судить, например, по видовому составу организмов о типе физической среды.

Слово биоиндикация образовано от греческого bios – жизнь и латинского indicare – указывать.

Биоиндикация –оценка качества среды обитания и её отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях.

Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые могли бы:

–адекватно отражать уровень воздействия среды, включая комплексный характер загрязнения ;

–диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ и оценивать их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.

Для учёта изменения среды под действием антропогенного фактора составляются списки индикаторных организмов – биоиндикаторов. Биоиндикаторы – виды, группы видов или сообщества, по наличию, степени развития, изменению морфологических, структурно-функциональных, генетических характеристик которых судят о качестве воды и состоянии экосистем.

Это редкие, как правило стенобионтные(требующие строго определенных условий существования) виды. Их исчезновение служит доказательством неблагоприятных воздействий на среду обитания в конкретных местах.

В качестве биоиндикаторов часто выступают лишайники, в водных объектах –сообщества бактерио-, фито-, зоопланктона, зообентоса, перифитона.

Наиболее важными сферами применения биоиндикации являются следующие:

 выявление естественного буферного потенциала экосистемы и допустимых нагрузок при внешнем воздействии на нее;

 контроль над состоянием популяций с целью ранней диагностики возможных нарушений состояния экосистемы и ее продуктивности,

 комплексная система экологического мониторинга биосферы, включая обнаружение негативных изменений, их диагностика на самой ранней стадии антропогенного воздействия;

 сохранение биоразнообразия природных ландшафтов, позволяющее обеспечить существование как можно большего числа организмов, в особенности редких видов, чувствительных к загрязнению.

Считается, что использование метода биоиндикации оправдано в тех случаях, когда совокупность факторов антропогенного воздействия сложно измерять непосредственно. Вместе с тем существуют методологические трудности объективного характера:

– во-первых, для большинства видов реагирование на любое умеренное техногенное воздействие принципиально не отличается от выработанных в ходе эволюции реакций на колебания факторов среды;

– во-вторых, оценка состояния биотического сообщества по соотношению видов производится выборочным методом и лишь условно может быть экстраполирована за пределы временного периода или же за пределы данного биотопа. В других местообитания условия существования биоты могут существенно различаться

Методической основой биоиндикации является биотестирование – приемы исследования, при которых о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании с другими, судят по состоянию специально помещенных в эту среду организмов.

Часто биоиндикацию путают с биотестированием. Но если при биоиндикации организмы извлекаются из природы и по их состоянию оценивают степень загрязнения, то при биотестировании качество воды, почвы оценивается посредством лабораторных объектов (животных, растительных, одноклеточных), помещённых в тестируемую среду уже в лаборатории.

Биотестирование (биологическое тестирование) оценка качества объектов окружающей среды (воды и др.) по ответным реакциям живых организмов, являющихся тест объектами.

Биотестирование является одним из методов оценки состояния окружающей среды, широко применяемым в научно-исследовательских учреждениях и производственных предприятиях.

Его достоинства состоят в следующем:

–позволяет оценить исследуемый образец непосредственно по реакции живого организма;

–появляется возможность комплексной оценки состояния окружающей среды при наличии в ней двух и более загрязнителей;

– низкая себестоимость. (Пример- установление выживаемости беспозвоночных при повышении температуры в Белоозерске).

Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкое признание во всем мире, и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии. Метод биотестирования не отменяет инструментальные исследования, а дополняет их, позволяя проводить экологический мониторинг наиболее полно и достоверно, показывая реальное состояние окружающей среды, как в данный момент времени, так и в динамике.

Биотестирование как метод оценки токсичности среды используется:

 при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения;

 в контроле аварийных сбросов высокотоксичных веществ;

 при проведении оценки степени токсичности при проектировании локальных очистных сооружений;

 при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и т.п.

Вместе с тем, полученные с помощью биотестирования данные позволяют судить только о прямом токсикологическом воздействии, а косвенные эффекты при этом остаются неучтенными. Речь идет о том, что в реальной экологической ситуации изолированного действия стрессора не существует – есть лишь совместное действие всего комплекса факторов. В настоящее время по результатам токсикологических лабораторных тестов на живых организмах установлены ПДК для более чем 1000 химических соединений. Между тем, число веществ-загрязнителей, способных влиять на экологическое состояние биоты самостоятельно, или комбинируясь, на сегодня превысило миллион наименований.

Вредное воздействие физических, химических и других факторов при их комбинировании может суммироваться (аддитивное или независимое действие), ослабляться (антагонизм) или усиливаться (синергизм). Поэтому не совсем правомерна экстраполяция полученных в лаборатории данных по реакции видов на природные экосистемы. Это является ошибкой еще и потому, что в лаборатории изучается реакция отдельных изолированных индивидуумов конкретного вида, тогда как основа естественных экосистем – многовидовые сообщества, где выживание каждого вида - функция его питания, поведения, взаимоотношения с другими популяциями и т.д. По этой причине биоиндикация в природных сообществах часто представляет единственную возможность получения информации о влиянии параметров среды и их взаимодействии. К таким параметрам относятся не только концентрации химических веществ, но и климатические условия, скорости переноса веществ в водной или воздушной среде, эрозионные процессы в почве, соленость воды и др.