Биоиндикация в экологическом мониторинге окружающей среды

Министерство образования и науки российской федерации.

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра  химии и

инженерной экологии в строительстве

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Биоиндикация в экологическом мониторинге окружающей среды»

 

 

 

 

 

Выполнил студент : гр.0дм-401

Проверил преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2013

 

Содержание

 

Введение

 

1. Понятие и формы биоиндикации

 

2. Биоиндикаторы

 

3. Биоиндикация на разных уровнях организации живого

 

3.1 Клеточный и субклеточный  уровни

 

3.2 Организменный уровень

 

3.3 Биоиндикация на уровне биосферы

 

4. Биоиндикация в различных средах

 

4.1 Биоиндикация в наземно-воздушной среде с помощью растений

 

4.2 Биоиндикация в водной среде

 

4.3 Биоиндикация в почве

 

Заключение

 

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации.

Метод биоиндикации основан на избирательном биологическом накоплении веществ из окружающей среды организмами растений и животных. Наиболее опасными для биотических сообществ являются антропогенные загрязнения почвы и вод тяжелыми металлами, радионуклидами, некоторыми хлорорганическими производными, так как вызывают в живых организмах отклик в виде накопления этих веществ, как всем организмом, так и его отдельными частями.

Коэффициенты накопления зависят от многих факторов: морфологических и физиологических особенностей организмов, физико-химических свойств накапливаемых веществ, среды, могут достигать порядка 10.-10.. Многообразие видов, их высокая избирательность к веществам различного строения и состава делает метод биоиндикации весьма перспективным для мониторинга вод и почв урбанизированных зон, а в ряде случаев и для очистки экосистем от загрязняющих веществ некоторыми видами растений и микроорганизмов. В этой связи нам представляется весьма актуальным изучение биоиндикации как метода оценки состояния окружающей среды.

 

 

1. Понятие и формы биоиндикации

 

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин "биоиндикация" чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием "экотоксикология".

Часто задают вопрос: "Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?" По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

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 ацидофильных 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. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания. Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Биоиндикаторы

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".

Типы биоиндикаторов:

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Биоиндикация на разных уровнях организации живого

 

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), сообществ, экосистем и биосферы в целом. Признание этого факта – достижение современной теории биоиндикации.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические. Однако именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

 

3.1 Клеточный и субклеточный  уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы-клетки и молекулы требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия поллютантов следующие:

• нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

• изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);

• аккумуляция вредных веществ;

• нарушение физиологических процессов в клетке;

• изменение размеров клеток.

Чтобы разработать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

 

3.2 Организменный уровень

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.

Растения

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

• Хлороз – бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

• Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

• Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

• Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

• Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетилнитрата.

• Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы – отмирание участков  ткани листа, их форма иногда специфична.

3. Преждевременное увядание. Под  действием этилена в теплицах  не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый  газ вызывает обратимое увядание  листьев малины.

4. Дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов  и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, листьев лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, крыжовника и смородины – под действием сернистого газа.

5. Изменения размеров органов  обычно неспецифичны. Например, хвоя  сосны вблизи заводов удобрений  удлиняется от нитратов и укорачивается  от сернистого газа. У ягодных  кустарников дым вызывает уменьшение  размеров листьев.

6. Изменения формы, количества и  положения органов. Аномальную форму  листьев отмечали после радиоактивного  облучения. В результате локальных  некрозов возникает вздувание  или искривление листьев, сращение  или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей  цветка.

7. Изменение жизненной формы  растения. Кустовидная или подушечная форма роста свойственна деревьям, особенно липе, при сильном устойчивом загрязнении воздуха (HCl, SO2).

 

3.2 Организменный уровень

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.

Растения

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

1. Изменения окраски листьев (неспецифическая, реже специфическая, реакция на различные поллютанты):

• Хлороз – бледная окраска листьев между жилками. Отмечали при избытке в почве тяжелых металлов и при газодымовом загрязнении воздуха.

• Пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами.

• Покраснение, связанное с накоплением антоциана. Возникает под действием сернистого газа.

• Побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений.

• Листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, пероксиацетилнитрата.

• Серебристая окраска листьев. Возникает под действием озона на листьях табака.

2. Некрозы – отмирание участков  ткани листа, их форма иногда специфична.