Влияние тяжелых металлов на формирование проростка ячменя

Биоиндикаторы - это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, употребляют термин «биоиндикаторные системы».

Критерии выбора биоиндикатора:

- быстрый ответ;

- надежность (ошибка <20 %);

- простота;

- мониторинговые возможности (постоянно  присутствующий в природе объект).

Типы биоиндикаторов.

Типы биоинтикаторов:

1. Чувствительный. Быстро реагирует  значительным отклонением показателей  от нормы. Например, отклонения в  поведении животных, в физиологических  реакциях клеток могут быть  обнаружены практически сразу  после начала действия нарушающего  фактора.

2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия  без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его  загрязнения или вытаптывания  будет прежним по своим основным  характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь  по прошествии какого-то времени  начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих  форм, изменится общая численность  организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор  не сразу обнаружит нарушение  среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой - только на один (см. примеры по специфической и неспецифической биоиндикации).

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.

Примеры тест-организмов:

- одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников  и пр);

- простейшие: инфузория-туфелька;

- членистоногие: рачки дафния и  артемия;

- мхи: мниум,

- цветковые: злак плевел, кресс-салат.

Одно из основных требований к тест-организмам - это возможность получения культур из генетически однородных организмов. В таком случае отличия между опытом и контролем с большей вероятностью могут быть отнесены на счет нарушающего фактора, а не индивидуальных различий между особями [10].

Методы биоиндикации.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида - регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100 - 300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить хитиновые панцири ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде, мозг, почки, селезенка, печень млекопитающих, раковины моллюсков, мхи [5].

Методы биоиндикации, позволяющие изучать влияние техногенных загрязнителей на растительные и животные организмы, на неживую природу, являются наиболее доступными. Биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной [11].

Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ. При этом используемые виды-биоиндикаторы должны удовлетворять следующим требованиям:

- это должны быть виды характерные  для природной зоны, где располагается  данный объект;

- организмы-мониторы должны быть  распространены на всей изучаемой  территории повсеместно;

- иметь высокую численность в  исследуемом экотопе;

- обитать в данном месте в  течение ряда лет, что дает  возможность проследить динамику  загрязнения;

- находиться в условиях, удобных  для отбора проб;

- давать возможность проводить  прямые анализы без предварительного  концентрирования проб;

- они должны иметь четко выраженную  количественную и качественную  реакцию на отклонение свойств  среды обитания от экологической  нормы;

- биология данных видов-индикаторов  должна быть хорошо изучена;

- иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания  влияния фактора на последующие  поколения [9].

Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов [12].

С помощью биоиндикаторов принципиально возможно:

- обнаруживать места скоплений  в экологических системах различного  рода загрязнений;

- проследить скорость происходящих  в окружающей среде изменений;

- только по биоиндикаторам можно  судить о степени вредности  тех или иных веществ для  живой природы;

- прогнозировать дальнейшее развитие  экосистемы [6].

Преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:

- суммируют все без исключения  биологически важные данные об  окружающей среде и отражают  ее состояние в целом;

- выявляют наличие в окружающей  природной среде комплекса загрязнителей;

- в условиях хронической антропогенной  нагрузки биоиндикаторы могут  реагировать на очень слабые  воздействия в силу аккумуляции  дозы;

- фиксируют скорость происходящих  в окружающей среде изменений;

- указывают пути и места скоплений  различного рода загрязнений  в экологических системах и  возможные пути попадания этих  веществ в организм человека [13].

Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека. Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды 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 окружающей среды может производиться в сочетании абиотических и биотических параметров. Это прием все шире входит в практику. Определение ряда биотических показателей, наряду с традиционными абиотическими, уже предусмотрено нормативными природоохранными документами, например, ГОСТ 17.1.3.07-82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля воды водоемов и водотоков» [14].

1.2.3 Объекты биоиндикации

Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы, полевицы; цинка - виды фиалки, ярутки; меди и кобальта - смолевки, многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны [9].

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижении продуктивности.

Получить точные количественные данные о динамике и величине стрессовых воздействий на основе морфологических изменений невозможно, но можно довольно точно определить величину потерь продукции и, имея график зависимости «доза- эффект», рассчитать величину стрессового воздействия [16].

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические и фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам - особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим признакам - особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости [17].

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения - отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие деформации растений:

- фасциация - лентовидное уплощение  и сращение стеблей, корней и  цветоносов;

- махровость цветков, в которых  тычинки превращаются в лепестки;

- пролификация - прорастание цветков  и соцветий;

- асцидия - воронковидные, чашевидные  и трубчатые листья у растений  с пластинчатыми листьями;

- редукция - обратное развитие органов  растений, вырождение;

- нитевидность - нитчатая форма листовой  пластинки;

- филлодий тычинок - превращение их  в плоское листовидное образование.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза - общего состояния природной среды.

Использование животных в качестве биоиндикаторов.

Позвоночные животные также служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря следующим особенностям:

- являясь консументами, они находятся  на разных трофических уровнях  экосистем и аккумулируют через  пищевые цепи загрязняющие вещества;

- обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению  воздействия негативных факторов  среды на организм.

Для того чтобы иметь возможность сравнивать материал, собранный разными исследователями в различных районах, набор видов-индикаторов должен быть един и невелик. Вот некоторые критерии пригодности различных видов млекопитающих для биоиндикационных исследований:

- принадлежность к разным звеньям  трофической цепи - растительноядным, насекомоядным, хищным млекопитающим;

- оседлость или отсутствие больших  миграций;

- широкий ареал распространения (сравнительно  высокая эв-ритопность), т.е. этот  критерий исключает использование  в качестве тест-индикаторов эндемиков;

- принадлежность к естественным  сообществам: критерий исключает  синантропные виды, питающиеся вблизи  жилища человека и неадекватно  характеризующие микроэлементный  состав загрязнения данного региона;

- численность вида должна обеспечивать  достаточный материал для анализа;

- простота и доступность методов  добывания видов [9].

Основное преимущество использования позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связанные с сложностью их обнаружения в природе, поимки, определение вида, а также с длительностью морфо-анатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными зачастую дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.