Биоиндикация – определение, основные этапы развития

1. Биоиндикация  – определение, основные этапы  развития

Биоиндикация — метод обнаружения и оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем. Существует два основных метода биоиндикации: активный и пассивный. Пассивная биоиндикация – исследование у свободно живущих организмов видимых или незаметных повреждений и отклонений от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия.

Активная биоиндикация или  биотестирование – исследование тех же воздействий в стандартных условиях на наиболее чувствительных к данному фактору организмах – тест-организмах.

Развитие биоиндикации можно  разбить на несколько этапов.

На первом этапе  развития биоиндикации преобладало  использование живых объектов как  индикаторов, в значительной мере, естественных компонентов биогеоценозов. Идеи В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова, А.ГГ. Виноградова дали обоснование возможности использования растений и растительных сообществ в целях индикации полезных ископаемых, направленности геохимических процессов. 

Широко используются растительные индикаторы при изучении сельскохозяйственных угодий, оценке богатства, засоления, увлажнения, механического  состава почв, стадий пастбищной дигрессии 

На втором этапе, с ухудшением экологических условий  окружающей среды и возникновением проблем ее охраны все большее значение приобретают биоиндикационные исследования антропогенных загрязнений воды, воздуха, почвы, растительного покрова, животного населения. Примерно с 1970 г. количество работ по биологическому контролю состояния окружающей среды и экосистем резко и неуклонно увеличивается. Возрастающее внимание к проблеме охраны природы обусловило необходимость проведения взаимосогласованных мероприятий по проблеме биоиндикации. В большинстве стран они осуществляются преимущественно по линии национальных академий наук и программ ООН.

Под биологическими объектами индикации понимаются любые биологические системы на различных уровнях организации живой материи, с включением при необходимости косных компонентов (биогеоценозы, почвы, ландшафты). Для оценки степени загрязнения окружающей среды широко применяется биологическое тестирование, получившее название активного мониторинга, при котором выявляют различные стрессовые воздействия с помощью тест-организмов, находящихся в стандартизированных условиях на исследуемой территории.  
Значительный интерес представляют организмы, реагирующие на загрязнение среды изменением хорошо заметных визуальных признаков.

Для объективной  оценки состояния экосистем интерес  представляют тест-организмы, реагирующие на комплекс загрязнителей. Для санитарного контроля и нормирования загрязнителей в экосистемах успешно применяют методы микробиологического тестирования.

На третьем  этапе развития биоиндикации, как  науки проявился один из законов  диалектики, что привело к переходу ее на новый уровень. Для объективного заключения о качестве среды необходима интегральная характеристика ее состояния Т.е. оценка всего комплекса воздействий всех факторов в их взаимодействии, взаимовлиянии и суммарном влиянии на природные объекты.

Возможность получить интегральную характеристику качества среды, находящейся под воздействием всего многообразия физических, химических и других факторов, дают только биологические  методы, так как именно живые организмы  несут наибольшее количество информации об окружающей их среде обитания.

2. Экологические  основы биоиндикации.

В ходе развития любой организм в отношении любого фактора обладает генетически детерминированным  и приобретённым, уникальным физиологическим  диапазоном толерантности, в пределах которой данный фактор не оказывает существенного влияния на жизнедеятельность организма, является переносимым. В случае низкой или высокой интенсивности силы фактора организм находится в зоне, когда силы воздействия находится за максимальными или минимальными пределами для конкретного организма — наступает угнетение жизнедеятельности организма и организм погибает. Данный диапазон неодинаков как для различных особей популяции и неодинаков в разные стадии жизненного цикла организма, а также в случае, когда значение интенсивности других факторов находятся либо в зоне пессимума или угнетения.

Развитие организма  происходит под комплексным воздействием всевозможных комбинаций факторов среды  биотической и абиотической природы. Зачастую развитие ограничивают факторы, находящиеся в зоне угнетения. В природе происходит лишь частичная реализация физиологических потенциалов — так называемая реализованная экологическая ниша. Экологический потенциал отражает реакцию организма на воздействие факторов. Физиологическая толерантность и экологическая потенция определяют его индикаторную ценность.

В результате, как  состояние организма, так и его  численность, структура популяции  отражает благоприятность состояния  окружающей среды. Такие организмы, жизненные функции которых тесно скоррелированны с отдельными факторами среды называются биоиндикаторами

3. Преимущество  биоиндикации перед физико-химическими  методами.

Биоиндикация  имеет определенные преимущества как  метод получения непосредственной информации об изменениях состояния биоты в конкретных условиях загрязнения, но он должен объединятся с химическими и геофизическими данными для получения не только качественных, но и количественных сведений.

Этот метод  имеет такие достоинства:

• измерение суммарного эффекта внешнего влияния;
• изучение влияния загрязнения на растения и животных;
• определение влияния в пространстве и времени;
• возможность применять профилактические средства.

 Особую значимость  имеет то обстоятельство, что  биоиндикаторы отражают степень  опасности соответствующего состояния ОС для всех живых организмов, в том числе и для человека. Биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения ОС по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов.

Но, отражая степень  негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создано. Наиболее эффективно оценка ОС может производиться  в сочетании абиотических и биотических  параметров.

Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическим методом является интегральный характер реакций организмов, которые:

• суммируют все без исключения биологически важные данные об ОС и отражают ее состояние в целом;
• выявляют наличие в ОС комплекса загрязнителей;
• позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека;
• дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком соединений;
• в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;
• фиксируют скорость происходящих в ОС изменений;
• указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека;
• помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистему, различающиеся по своей устойчивости к антропогенному воздействию, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям природных систем в разных географических зонах;
• делают необязательным применение дорогостоящих трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров.

4. Стресс  и его воздействие на организмы.

Понятие стресс – это состояние критической  нагрузки, которое проявляется в  виде специфического синдрома, который складывается из неспецифических изменений внутри биологической системы. Стресс можно разделить на два вида. Эустресс характеризуется физиологическими процессами, которые позволяют организму приспособиться к изменившимся условиям среды. Дистресс – означает патологические процессы, при постоянных нагрузках, которые организм не в состоянии регулировать короткое или длительное время.

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

Факторы, вызывающие стресс, называют стрессорами. В естественных условиях организмы часто подвергаются воздействию различных абиотических и биотических стрессоров. К ритмически повторяющимся экстремальным условиям среды, например, холоду, засухе, жаре, многие организмы приспособились путем изменения активности, что делает их устойчивыми к стрессу.

Другие организмы могут  уклоняться от воздействия экстремальных условий при помощи специфических приспособлений – это глубокое укоренение, уход в другие зоны обитания.

Толерантность и избегание  создают устойчивость к стрессу.

Опасность антропогенных  стрессов состоит, прежде всего, в том, что биологические системы недостаточно адаптированы к ним. Антропогенные стрессоры создаются с такой скоростью, что эти системы не успевают активизировать адаптационные процессы.

5. Биоиндикаторы  и биоиндикационные признаки.

Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Критерии  выбора биоиндикатора:

1. быстрый ответ;
2. надежность (ошибка <20%);
3. простота;
4. мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

 Все биоиндикаторы подразделяют на четыре группы:

• ботанические;
• зоологические;
• микробиологические;
• биохимические.

Типы  биоиндикаторов:   

1. Чувствительный (сенситивный). Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы.  

2. Аккумулятивный (поглотительный). Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений.   

Биоиндикаторы принято описывать с помощью  двух характеристик: специфичность ичувствительность.При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при  высокой – только на один.При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой  – на незначительные.   

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

Индикаторы должны удовлетворять ряду требований:

1. накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели тест-организмов;
2. численность тест-организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния на их воспроизводство;
3. в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны многолетние виды флоры;
4. фитотесты должны быть генетически однородными;
5. должна быть обеспечена легкость взятия проб;
6. должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования;
7. биотесты должны обеспечивать получение достаточно точных и воспроизводимых результатов;
8. биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами;
9. диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20-30%;  
10. при выборе тест-организмов предпочтение следует отдавать регистрации функциональных, этологических, цитогенетических изменений отдельных индикаторных процессов биоты, а не только изменению ее структуры , численности или биомассы, т.к. эти последние являются более консервативными.

6. Разделы  биоиндикации

При другом подходе  различают прямую и косвенную  биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует  на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.

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