Биологический мониторинг и биотестирование объектов природной среды

2 БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых организмов. [2, 10]

Объект  мониторинга  –  природный,  техногенный  или  природно-техногенный объект,  в пределах которого осуществляются регулярные наблюдения  за почвой, водой,  биотой,  атмосферным воздухом  с целью контроля  их  состояния,  выполняемых для своевременного выявления и прогнозирования изменений в них и оценки. [9]

Биологический контроль включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. 

Биоиндикация  – 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. Основным индикатором устойчивого развития является качество среды обитания.

Биотестирование – 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 используют стандартизированные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, 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 также тестироваться 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).

Подходы очень  близки по конечной цели исследования, но биотестирование осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует возможные последствия загрязнения окружающей среды для биоты, а биоиндикация – на уровне организма, популяции или 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.[1, 13]

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

В настоящее  время оценка степени экологической  опасности традиционно осуществляется путем определения в окружающей среде отдельных, потенциально опасных  вредных веществ или воздействий и сравнения полученных результатов с законодательно установленными для них предельно допустимыми величинами. Такой метод контроля имеет ряд существенных недостатков. Аналитические методы 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 гарантируют 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. [1]

Используемые  в практике экологического и санитарно-гигиенического нормирования показатели (ПДК, ПДД, ПДУ), всегда базирующиеся на токсикологических исследованиях с тестированием отдельных биообъектов, не могут учитывать изменений токсичности загрязнителей за счет эффектов синергизма или антагонизма при совместном 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 процессе детоксикации среды от конкретных загрязнителей. Поэтому наряду с физико-химическими методами необходимо использовать методы биологического контроля и диагностики, дающие объективные интегральные оценки качества среды и основания для прогноза состояния экосистем.

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.

При проведении биологического мониторинга желательна одновременная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие 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 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.

Применение  методов биоиндикации и биотестирования  в экологической экспертизе природных  водоемов и источников питьевой воды демонстрирует, что пороговые концентрации химических поллютантов, нарушающих 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.

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.

Существуют  несколько случаев, когда биомониторинг становится незаменимым [14]

1. Фактор не может быть  измерен. Это особенно характерно 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 ацидофиль-ных  и базофильных

видов) позволили 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 концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека.

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, такие  параметры как асимметрия морфологических признаков, интенсивность потребления кислорода, показатели крови,  ритмика роста и частота хромосомных аберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействии в действительности изменяется наиболее общая базовая характеристика организма – гомеостаз развития.

3 БИОТЕСТИРОВАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ  СРЕДЫ

Любая система  контроля окружающей среды складывается из экологического мониторинга и анализа полученных данных, на основе которого принимаются  решения  о  перспективах  функционирования  и  практического  использования экосистемы. В современных условиях сильного антропогенного оздействия  на  внешнюю  среду  экологический  мониторинг  имеет  огромное практическое значение.

Многообразные загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, могут  претерпевать  в  ней  различные  превращения,  усиливая  при  этом  свое токсическое действие. По этой причине оказались необходимыми методы интегральной  оценки  качества  среды (воды,  почвы,  воздуха).  Огромную  роль при этом играют методы биотестирования.  Они должны соответствовать следующим требованиям:

- быть применимыми  для оценки любых экологических  изменений среды обитания живых  организмов;

- характеризовать  наиболее общие и важные параметры  жизнедеятельности биоты;

- быть достаточно  чувствительными для выявления  даже начальных обратимых экологических  изменений;

- быть адекватными  для любого вида живых существ  и любого типа воздействия;

- быть удобными  не только для лабораторного  моделирования, но также и для  исследований в природе;

- быть достаточно  простыми и не слишком дорогостоящими  для широкого использования. 

Под биотестированием понимают приемы исследования, при  котором о качестве  среды,  факторах,  действующих  самостоятельно  или  в  сочетании  с 

другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению специально помещенных в эту среду организмов – тест-объектов. При выборе таких организмов  приходится  соблюдать  определенные  требования,  среди  которых  возможность  фиксировать  четкий,  воспроизводимый и объективный отклик  на

воздействие внешних  факторов, чувствительность этого отклика  на малые содержания загрязнителей  и др. 

Биотестирование – это один из приемов исследования в биологическом мониторинге, который используется для определения степени повреждающего действия  химических  веществ,  потенциально  опасных для живых организмов в контролируемых экспериментальных лабораторных или полевых условиях путем регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций)  исследуемых  тест-объектов,  с  последующей  оценкой их состояния в соответствии с выбранным критерием токсичности.

Под биотестом  понимается оценка (испытание) в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на живые организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического)  показателя  исследуемого  объекта  по  сравнению  с  контролем. Главное требование к биотестам – чувствительность и быстрота ответа, четкая реакция на внешние воздействия.

Среди возможностей применения подходов биотестирования следует отметить их пригодность в мониторинге районов с интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства. Биотестирование позволяет провести беглое сканирование больших пространств в целях ранней диагностики экологических нарушений. В этом случае достаточно ограничиться наиболее простыми, но  эффективными методами,  основанными,  например,  на морфологических или физиологических показателях.

Обобщить результаты, полученные методами биотестирования, допустимо по всем методам в пределах каждого подхода; по всем подходам для каждого вида или группы  видов  живых  организмов;  для  экосистемы  в  целом,  что  дает  надежную суммарную оценку состояния среды и исключает ошибочное заключение, вполне возможное  при  использовании единичных показателей в отношении отдельных видов. Итоговое  заключение должно содержать характеристику качества  среды в исследуемом районе (оценку степени отклонения от нормы и фонового  состояния;  оконтуривание  зоны  ощутимых  последствий воздействия)  и оценку  благоприятности среды для человека.

В качестве объектов для биотестирования применяются  разнообразные тест-организмы –  подопытные биологические объекты, подвергающиеся воздействию определенных доз или концентраций ядов, вызывающих у них тот

или иной токсический  эффект, который регистрируется и оценивается в эксперименте.  Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, дрожжи, простейшие, водоросли, пиявки, моллюски, рыбы и т.д. Кроме того, наравне с целостными организмами в качестве тест-объектов выступают отдельные органы, ткани или клетки. Каждый из объектов имеет свои специфические преимущества  и  заслуживает  внимания,  поскольку  ни  один  организм  не может служить  универсальным  тест-объектом,  одинаково  чувствительным  ко  всем загрязняющим  веществам.  Для  гарантированного  выявления  присутствия токсического агента неизвестного химического состава должен использоваться  набор  объектов,  представляющих  различные  группы  сообщества,  состояние которых оценивается по параметрам, относящимся к разным уровням интегральности.

Для  оценки  развития  токсического  эффекта  элементарными  фактами являются,  прежде  всего,  реакции  типа «доза  –  эффект»,  причем  в  качестве эффекта  целесообразно  рассматривать  смертность (или  выживаемость)  тесткультур в остром опыте, типа «концентрация-смертность (выживаемость)».