Биологический мониторинг

Под экологическим качеством среды обитания человека по­нимают интегральную характеристику природной среды, обес­печивающую сохранение здоровья и комфортное проживание че­ловека.

Поскольку человек адаптирован и может комфортно суще­ствовать только в современном биологическом окружении, в при­родных экосистемах, понятие «экологическое качество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительной устойчивости видового состава экосистем и со­става сред жизни), которое и обеспечивает здоровье человека.

Адаптация — совокупность морфофизиологических, поведенческих, попу-ляционных и других особенностей данного биологического вида, обеспечиваю­щая возможность специфического образа жизни в определенных условиях внеш­ней среды.

Необходимо различать цели и способы нормирования и оцен­ки качества среды обитания человека по основным физико-хими­ческим параметрам, с одной стороны, и экологического прогно­за будущего изменения состояния экосистемы и здоровья людей в условиях антропогенного пресса — с другой.

Для общей оценки состояния окружающей среды и определе­ния доли участия отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы (предельно допустимые концентрации — ПДК — поллютантов, предельно допустимые уровни воздействия — ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать так­же и многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие.

Реакции живых систем на разнообразные химические и физи­ческие факторы и их сочетание характеризуются такими особен­ностями, как интегральность и кумулятивность множества воз­действий, парадоксальные эффекты слабых доз на организмы животных и растений, наличие цепных процессов и отдаленных последствий локальных влияний на различные «этажи» сложно организованных экосистем. Стохастической, трудно предсказуе­мой, является и реакция организмов людей, живущих в условиях техногенных искусственных экосистем.

В настоящее время общепринято, что одним из непременных условий «устойчивого» социально-экономического развития яв­ляются сохранение природной среды обитания человека и ее вос­становление после разрушительных воздействий.

Необходимо отметить, что живым системам (организмам, их сообществам и целым экосистемам) свойственна способность к саморегуляции, самоочищению, адаптации. Этим, в частности, определяется и экологический прогноз. Устойчивость экосистем, например, зависит от многообразия видов, входящих в них, от соотношений численности видов, представляющих различные трофические уровни, от репродуктивных свойств организмов и регуляции численности каждой популяции межвидовыми отно­шениями в сообществе и абиотическими факторами.

Экологическую опасность, или риск, следует оценивать с уче­том не только характера и силы антропогенного воздействия, но и биологических свойств реагирующей системы. Соответственно этому имеется две группы методов экологического мониторинга (слежения за состоянием экосистем): физико-химические и био­логические (биомониторинг). Каждый из видов мониторинга име­ет свои ограничения. Для качественной оценки и прогноза состо­яния природной среды необходимо их сочетание. Таким образом, физико-химический и биологический мониторинг не исключа­ют, а дополняют друг друга.

Антропогенные загрязнения действуют на живые организмы, и в том числе на человека, в самых различных сочетаниях, комп­лексно. Их интегральное влияние можно оценить только по реак­ции живых организмов или целых сообществ. Прогноз действия на человека загрязненной воды, химических добавок в пище или за­грязненного воздуха правомочен, если в оценку токсичности вхо­дят не только аналитические методы, но и биологическая диагностика действия среды на животных. Кроме того, многие ксенобио­тики (чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организ­ме, и в результате длительное воздействие даже малых концент­раций этих веществ вызывает патологические изменения в орга­низме. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз мно­гих биологически активных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм более сильное действие, чем их средние дозы и концентрации.

Универсальным показателем изменения гомеостаза тест-орга­низма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».

Понятие «стресс» весьма различно используется во многих об­ластях науки. Впервые в качестве научного термина оно было вве­дено в медицину Г.Селье в 1936 г. и вскоре проникло в обиходный язык как обозначение неспецифического психического напряже­ния. Г.Селье (1979) определяет стресс как реакцию на повышен­ную нагрузку, которая проявляется в синдроме, слагающемся из всех неспецифически вызванных изменений внутри биологичес­кой системы.

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

Стресс можно разделить на два различно действующих типа. Эустресс характеризуется физиологическими адаптивными реак­циями, которые вызываются в организме биоэнергетическими процессами, когда в критических ситуациях живому существу не­обходимо приспособиться к изменившимся условиям среды. Ди­стресс означает патогенные процессы, возникающие, как прави­ло, при постоянных нагрузках или усилиях, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время. В какой мере тот или иной стрессор обусловливает эустресс или дистресс, зависит от многочисленных факторов, например от сочетания экзогенных раздражителей и внутреннего состояния организма.

Реакционная способность (норма реакции) организма по от­ношению к воздействующим стрессорам зависит прежде всего от его генетической конституции. При возникновении стресса боль­шую роль играет также фактор времени, связанный как с разви­тием чувствительности к стрессу, так и с продолжительностью воздействия какого-либо эффективного стрессора на протяжении различных периодов жизни.

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 (комплексное стрессовое воздействие среды). При этом, разумеется, какой-либо отдельный фактор может временно или постоянно доминировать. В связи с этим понятно, что реак­ции организмов на стрессоры в лабораторном эксперименте не всегда совпадают с наблюдающимися в естественных условиях. Поэтому исследования комбинированного воздействия средовых нагрузок, т.е. комплексного стрессового воздействия среды, ста­новятся в последнее время принципиально важными для уста­новления допустимой нагрузки и стабильности биологических систем в нарушенной среде со многими антропогенными стрессорами.

Стрессовое воздействие среды приводит к отклонению основ­ных параметров организма от оптимального уровня.

В настоящее время оценка степени экологической опасности традиционно осуществляется путем определения в окружающей среде отдельных потенциально вредных веществ или воздействий и сравнения полученных результатов с законодательно установ­ленными для них предельно допустимыми величинами. В то же время такой способ контроля имеет ряд существенных недостат­ков. Аналитические методы, как правило, трудоемки, не всегда экспрессны, требуют дорогостоящего, иногда дефицитного обо­рудования и реактивов, а также высококвалифицированного об­служивающего персонала. Но главный их недостаток в том, что эти методы не могут гарантировать достоверной оценки экологи­ческой опасности, сколь бы широким не был спектр анализируе­мых веществ. Ведь важны не сами уровни загрязнений и воздей­ствий, а те биологические эффекты, которые они могут вызвать и о которых не может дать информацию даже самый точный хими­ческий или физический анализ. Заметим, что используемые в практике экологического и са­нитарно-гигиенического нормирования показатели (предельно допустимые концентрации — ПДК, предельно допустимые дозы — ПДД, предельно допустимые уровни — ПДУ), всегда базирую­щиеся на токсикологических исследованиях с тестированием от­дельных биообъектов, не могут учитывать изменений токсично­сти загрязнителей за счет эффектов синергизма или антагонизма при сочетанном действии антропогенных факторов. Эти нормативы не отражают зависимости токсического действия загрязнения от физических факторов среды, не учитывают процессы естественных трансформаций веществ в окружающей среде или исчезновения их в ходе детоксикации среды от конкретных загрязнителей. Поэтому наряду с физико-химическими методами необходимо использовать методы биологического контроля и диагностики — биоиндикацию и биотестирование, дающие объективные интегральные оценки качества среды и основания для прогноза состояния экосистем.

В настоящее время одним из наиболее оптимальных способов определения качества окружающей среды является возмож­ность использования в биоиндикационных исследованиях живых организмов — индикаторных видов, которые в силу своих генети­ческих, физиологических, анатомических и поведенческих осо­бенностей способны существовать в узком интервале определен­ного фактора, указывая своим присутствием на наличие этого фактора в среде. Применение в качестве биоиндикаторов расте­ний, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить био­мониторинг воздуха, воды и почвы. Благодаря специальным ин­дексам и коэффициентам результаты биоиндикации оказываются достоверными и сопоставимыми.

Биоиндикация (bioindication) — обнаружение и определение эко­логически значимых природных и антропогенных нагрузок на ос­нове реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых про­изводится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состоя­ния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее вре­мя можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биотестирование (bioassay) — процедура установления ток­сичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочета­нии вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объек­тов. Для оценки параметров среды используются стандартизован­ные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, кле­ток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм мо­жет тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).

Хотя подходы очень близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные по­следствия загрязнения окружающей среды для биоты, а биоинди­кация — на уровне организма, популяции и сообщества и харак­теризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты - открытые системы, через которые идет поток энергии и кругово­рот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием био­логических объектов в последние десятилетия оформился как ак­туальное научно-прикладное направление.

Биологические методы контроля качества среды не требуют предварительной идентификации конкретных химических соеди­нений или физических воздействий, они достаточно просты в ис­полнении, многие экспрессны, дешевы и позволяют вести конт­роль качества среды в непрерывном режиме. Вместе с тем после выявления общей токсичности образцов почвы или воды для оп­ределения ее причин следует применить аналитические методы. Традиционные физико-химические методы позволяют также оце­нить вклад отдельных предприятий или иных источников загряз­нения в интегрированное техногенное воздействие на природу.

Проведение интегральной оценки качества среды предлагается для определения состояния биоресурсов, разработки стратегии рационального использования региона, определения предельно допустимых нагрузок для экосистем региона, решения судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, загрязненных радионуклидами, и т.п.; выявле­ния зон экологических бедствий; решения вопроса о строитель­стве, пуске или остановке определенного предприятия; оценки эффективности природоохранных мероприятий, введения очист­ных сооружений, модернизации производства и др.; применения новых химикатов и оборудования; создания рекреационных и за­поведных территорий.

Технический пресс как следствие НТР выдвигает в качестве одной из важнейших природоохранных задач проблему «уравно­вешивания» результатов антропогенного воздействия на окружа­ющую среду. Соблюдение этого условия — единственный способ выживания для человечества.

Реализация основных принципов устойчивого развития циви­лизации в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей информации о состоянии среды обитания в ответ на антропогенное воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга.Оценка качества среды является ключевой задачей любых мероприятий в области экологии и ра­ционального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring — контроль) подразумевает проведение мероприя­тий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состоя­ния окружающей среды. Комплексный подход в проведении био­логического мониторинга (сочетание методов биоиндикации и био­тестирования, использование объектов разных уровней организа­ции) при систематическом наблюдении позволяет судить о пер­спективах изменения структуры сообществ, продуктивности попу­ляций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновре­менная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем. Необходимо проведение многофактор­ного анализа с учетом наиболее типичных антропогенных воздей­ствий (например, химических веществ), а также изменений при­родных факторов среды, уровень которых меняется вследствие антропогенного влияния. В первую очередь учитывается измене­ние численности видов и видового состава ценозов. Важно фикси­ровать также возможные изменения в природных популяциях, например нарушения эмбрионального развития (уродств) и сим­метрии взрослых особей в пределах популяции. Необходимо выяв­лять быстрый «отклик» организмов или популяций и результаты стойких последствий, так как часть изменений может быть отре­гулирована биосистемами.

Примеры применения методов биоиндикации и биотестирова­ния в практике экологической экспертизы природных водоемов и питьевых водоисточников демонстрируют, что пороговые концен­трации химических поллютантов, нарушающие жизнедеятельность организмов-биотестов, находятся ниже принятых значений ПДК. Постоянное присутствие поллютантов даже в низких концентра­циях приводит к снижению видового разнообразия гидробионтов за счет исчезновения наиболее чувствительных к качеству воды видов. Такие изменения в биоценозах устанавливаются методами биоиндикации — определением индексов и показателей сапробности.

Параллельное исследование показателей здоровья больших групп населения, проживающих на загрязненных территориях и использующих загрязненную воду и сельскохозяйственные про­дукты, достоверно свидетельствует о снижении (по сравнению со средним по региону) уровня продолжительности жизни, повы­шении общей и младенческой смертности, а также уровня заболеваемости людей, поражения иммунной системы, печени и дру­гих органов.

Основополагающим принципом биологического мониторинга является установление оптимального — контрольного — уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз­действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметру возникает вопрос о том, будут ли данные условия оп­тимальными также для других характеристик организма. Однако если исследуемые параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается сход­ным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно неза­висимые параметры, как асимметрия морфологических призна­ков, показатели крови, интенсивность потребления кислорода, ритмика роста и частота хромосомных аберраций, могут изме­няться синхронно, когда при определенном стрессовом воздей­ствии в действительности изменяется наиболее общая базовая ха­рактеристика организма — гомеостаз развития.