Преимущества и недостатки биоиндикации. Уровни биоиндикации.

Обычно биоиндикационные методы используют до химического анализа, т.к. они позволяют провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие» точки, указывающие на наиболее загрязненные участки акватории (территории, полигона). На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая среда характеризуется как токсичная, путем химического анализа устанавливаются причины этого явления.

Биоиндикация как метод применяется при исследовании биологических систем разного ранга:

– при индикации на низших уровнях организации биосистем (экоистемы с упрощенным видовым составом, небольшого размера, например пруды) преобладают прямые и часто специфичные виды биоиндикации, что обусловлено относительной простотой реакций живых организмов этого уровня организации;

– крупные экосистемы или ландшафты организованы гораздо сложнее, поэтому проявляемые ими реакции многообразнее. По сравнению с отдельными организмами, экосистемы реагируют на стрессовые воздействия чаще всего с запаздыванием и в сильно измененной форме. На высших уровнях применима в основном косвенная и неспецифичная биоиндикация.

В соответствии с организационным уровнем биологических систем выделяют несколько уровней биоиндикации, хотя строгих границ между ними не существует:

• На молекулярном уровне действие стрессоров проявляется на процессах обмена веществ. Биоиндикационными признаками этого уровня являются:

• а) содержание хлорофилла (под влиянием стрессоров отмечается снижение содержания вследствие его разрушения)

• б) соотношение каротиноидов – листьях и хвое, подвергшихся действию выбросов двуокиси серы, содержание лютеина повышается, а бета-каротина снижается.

• в) содержание стероидов

• г) изменение активности ферментов.

1. Клеточный уровень. Внутриклеточные реакции (биохимические, физиологические); На клеточном уровне биоиндикационными признаками являются:

а) химический состав клетки (отмечается аккумуляция вредных веществ);

б) состояние органоидов (изменение размеров органоидов и самих клеток, отслаивание плазмы от клеточных стенок, разрушение хлоропластов);

в) хромосомные нарушения (мутации)

На тканевом уровне.Накопление поллютантов в организме, нарушения метаболизма, приводят к изменению строения тканей.

Морфологические изменения растений:

а) некрозы - отмирание ограниченных участков ткани; следует различать:

- точечные и пятнистые некрозы - отмирание тканей в виде точек и пятен; при действии озона,

- межжилковые некрозы - отмирание листовой пластинки между боковыми жилками (при воздействии SO2);

- краевые некрозы - характерные, четко различимые формы у лип под действием поваренной соли, применяемой для таяния льда; сочетание межжилковых и краевых некрозов приводит к появлению узора типа “рыбьего скелета”;

- верхушечные некрозы - характерны для хвойных, темно-бурые, резко отграниченные некрозы кончиков хвои под воздействием SO2 или обесцвеченные - под влянием HF.

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

При развитии некрозов сначала наблюдаются изменения в окраске (дехромация), а затем гибель клеток.

б) уменьшение продолжительности жизни и опадение листвы и хвои (дефолиация) дефолиация приводит к уменьшению ассимилирующей площади, сокращению прироста, растормаживанию почек и преждевременному образованию новых побегов;

В чистых природных экосистемах средний возраст хвои сосны составляет у южной формы 3-4 года, у северной - 8-9 лет, хвои ели - 7-8 лет. При воздействии токсичных газов возраст хвои сокращается, так что в отдельных случаях на деревьях остается только однолетняя хвоя.

2. Организменный уровень. Реакции организма (анатомические, морфологические, биоритмические, этологические). Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены в середине XIX века вокруг содовых фабрик Англии и Бельгии.
Преимущества биоиндикации на этом уровне - это небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуются специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

Основная цель отбора биологических показателей на организменном уровне сводится к оценке главным образом состояния особи и ее поведения.

На организменном уровне используются следующие признаки:

1. Биометрические параметры и продуктивность растений и животных;

а) изменения размеров органов растений, размеры тела и отдельных его частей у животных. Для биоиндикации антропогенных стрессоров используются биометрические параметры главным образом различных насекомых - промеры тела: ширины головы, длины различных члеников, усиков, конечностей

б) изменение прироста и плодовитости растений. Измеряют в основном радиальный прирост древесных стволов, прирост в длину побегов и листьев.

в) изменение репродуктивной функции.

2. Показатели поведения животных. Например у крабов (Pachygrapsus) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок. Изменение привычного поведения хищника тут же отражается на изменении показателей популяции жертвы при условии, если жертва менее чувствительна к загрязнению, чем хищник

3.Биоритмические изменения – основными факторами, определяющими цикличность, выступают освещенность, температура, влажность;

3. Популяционный уровень. Популяционно-динамические изменения (колебания структуры, численности, плотности популяции);

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 исследования структуры популяций.

Плотность- количество особей вида на единицу площади или объема (величины которых выбираются в зависимости от размера организмов и среды обитания: 1м², 1 км², 1 га, 1 см³ и т.д.).

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

С другой стороны увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофилов и других устойчивых к антропогенному прессу видов, что также может служить целям биоиндикации.

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

4. Экосистемный уровень. Изменения в природных экосистемах (состояние продуцентов, консументов, редуцентов, степень антропогенного воздействия на них) и воздействие стрессов. Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

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

Сукцессии - естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых,т.е. климаксовых. Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий. Страдают прежде всего заключительные стадии - зрелые климаксные сообщества, они не формируются. Процесс все время отбрасывается на более ранние стадии. Например, полная сукцессия лесов в предполагает не только смену березняков ельниками, но и формирование сложных смешанных лесов с участием дубов. Редкость таких лесов свидетельствует о глубоких антропогенных преобразованиях территории.

Попытки воспроизвести естественную сукцессию встречают большие трудности. При лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов. Даже спустя 30 лет в почве под ними не развивается характерный для лесов комплекс сапрофагов-разрушителей лесной подстилки, что свидетельствует о существенном отличии почвенных и лесорастительных условий на отвалах, по сравнению с лесами. Беспозвоночные животные являются в данном случае биоиндикаторами формирования «неполноценных» экосистем.
В целом, нарушения среды на экосистемном уровне приводят к:

• упрощению структуры сообществ и экосистем;

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

Выявление этих признаков – основной путь биоиндикации на высших уровнях организации живого.

5. Биосферный уровень. Некоторые примеры индикаторов глобальных изменений среды:

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

• глобальное потепление климата. Обычным явлением становится «красный снег». Появляется в горах при повышенной инсоляции благодаря росту численности одноклеточных водорослей (в основном гемококков);

• фоновое загрязнение среды. Даже на заповедных территориях за последние 40 лет снизилось разнообразие и численность животных. Регулярное и повсеместное применение пестицидов привело к снижению численности почвенных членистоногих на полях за последние 30 лет в несколько раз.