Контрольная работа по дисциплине "Биоиндикация и биотестирование"

 

Пролин - аминокислота, считающаяся индикатором стресса. Её концентрация возрастала в листьях тисса вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, в листьях каштана при засолении почвы;

 

Аланин - аминокислота, накапливалась в клетках водоросли треуксии, сосны и кукурузы при загрязнении;

 

Пероксидаза и супероксиддисмутаза. При воздействии стрессов образуются токсичные перекиси, которые пероксидаза обезвреживает. Например, SO2 вызывает увеличение активности пероксидазы и появление изоферментов супероксиддисмутазы, что можно выявить с помощью гель-электрофореза.

 

Пигменты. При загрязнении в клетках растений происходят следующие изменения пигментов:

 

Уменьшается содержание хлорофилла. Этапы его разрушения (феофетин, феофорбиды, распад пиррольного кольца);

 

Понижается отношение хлорофилл а / хлорофилл в. Отмечается, в частности у ели при хроническом задымлении SO2;

 

Замедляется флуоресценция хлорофилл.

 

При биоиндикации все эти изменения фиксируют с помощью приборов: хроматографа, спектрофотометра, флуориметра.

 

Аденозинтрифосфорная кислота. Содержание АТФ - универсального источника энергии в клетке - важный показатель ее жизнеспособности. Для его количественной оценки предложен показатель «энергетического заряда» (ЭЗ).

 

АДФ и АМФ - менее насыщенные энергией молекулы аденозиндифосфорной кислоты и аденозинмонофосфорной кислот. Показано, что с ростом концентрации SO2 в воздухе ЭЗ клеток растений (сосна, водоросль, требоуксия) снижается

 

Белки. При загрязнении в клетках уменьшается концентрация растворимых белков.

 

Углеводы. В целях биоиндикации может быть использовано наблюдение о росте глюкозы и фруктозы в листьях гороха при действии газодымных выбросов.

 

Липиды. Газовые выбросы ведут к уменьшению содержания миристиновой, пальмитиновой, и лауриновой кислот и к увеличению линолевой и линоленовой кислот в составе липидов.

Аккумуляция вредных веществ

 

Хорошим показателем загрязнения среды может служить повышенная концентрация поллютантов в клетках живых организмов. Так, обнаружена корреляция между содержанием свинца в листьях тисса и интенсивностью движения в городах.

 

Накопление ртути в перьях птиц позволило с помощью чучел проследить динамику загрязнения ртутью. Обнаружено, что с начала 40-х годов ХХ века содержание ртути в перьях фазана, куропаток, сапсана и других увеличилось в 10-20 раз, по сравнению с 1840-1940 гг.

 

Изменение размеров клеток

 

Показано, что при газодымном загрязнении:

 

·        Увеличиваются клетки смоляных ходов у хвойных деревьев;

·        Уменьшаются клетки эпидермиса листьев.

 

Нарушение физиологических процессов в клетке

 

Плазмолиз. В клетках растений под действием кислот и SO2 цитоплазма отслаивается от клеточной стенки.

 

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 требуется специальные лаборатории и высокая квалификация персонала.

 

Растения

 

Морфологические изменения растений, используемые в биоиндикации:

 

1.       Изменение 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.

·        Точечные и пятнистые. Серебристые пятна на листьях табака сорта Bel W3 возникают под действием озона.

·        Межжилковые - некроз тканей между боковыми жилками 1 порядка. Часто отмечаются при воздействии сернистого газа.

·        Краевые. На листьях липы под влиянием соли (хлорида натрия), который зимой посыпают улицы для таяния льда.

·        «Рыбий скелет» - сочетание межжилковых краевых некрозов.

·      Верхушечные некрозы. У однодольных покрытосемянных и хвойных растений. Например, хвоинки пихты и сосны после действия сернистого газа становятся на вершине бурыми, верхушки листьев гладиолусов после окуривания фтористым водородом становятся белыми.

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. Изменение 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. Изменение формы, количества и  положения органов. Аномальную форму  листьев отмечали после радиоактивно  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 (HCI, SO2).

8. изменение жизненности. В присутствии  многих поллютантов бонитет деревьев понижается от 1-2 класса до 4-5. Обычно это сопровождается изреживанием кроны и уменьшением прироста. Изменения прироста неспецифичны, но широко применяются, так как чувствительнее, чем некрозы. Измеряются радиальный прирост в длину побегов и листьев, корней, диаметр таллома лишайника.

9. Изменение плодовитости. Обнаружено  у многих растений. Например, при  действии поллютантов уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели. Некоторые виды лишайников не образуют плодовых тел в сильно загрязненном воздухе, но способны размножаться вегетативно.

 

 

Примеры биоиндикации на организменном уровне

 

Растения

 

1.      Мониторинг озона  по табаку BEL W3. Этот сорт табака  специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт Bel B.

2.      Мониторинг загрязнения  почвы и воздуха с помощью  крессалата. Семена проращивают в чашке Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков. У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.

3.      Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают  ярко-желтые неравномерно расположенные  краевые зоны, затем край листа  отмирает, а желтая зона передвигается  к середине и основанию листа. Разработана бонитировачная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы. Метод ограничен во времени второй половиной лета.

4.      Индикация общего  газодымового загрязнения по  продолжительности жизни хвои. Для  определения у 25 взрослых деревьев  ели из средней кроны вырезают  по 1 ветви. Определяют среднее кол-во  хвоинок на побегах разного  возраста. Поскольку хвоинки живут  в норме 4 года, то четырехлетние  побеги должны быть покрыты  хвоинками. При загрязнении продолжительность  жизни хвоинок сокращается вплоть  до одного года. Соответственно  большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на  концах ветвей. Бонитировачная шкала некрозов и продолжительность жизни хвои позволяет количественно оценить степень загрязнения среды.

 

3. Биоиндикация водной среды

Сапробность (от греческого sapros – гнилой) – физиолого-биохимические свойства организма (сапробионта), обусловливающего его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, поступающих в водоем преимущественно с хозяйственно-бытовыми стоками

Сапробиологический анализ

 

Наиболее практичный критерий предложили биологи, показавшие, что водные организмы, как правило, реагируют на уровень загрязнения в целом, независимо от конкретных источников загрязнения. Уже в 1908-1909 гг. Кольквитц и Марссон разделили ряд изученных ими гидробионтов по степени чувствительности к загрязнению, а сами водоемы – на классы загрязненности, соответствующие определенным группам обитателей. Сама мера загрязнения (и мера чувствительности гидробионта к нему) получила название сапробности.

 

Биологический смысл понятия сапробности заключается примерно в следующем. При нарастании органического загрязнения водоема в толще воды и особенно на дне параллельно возрастает содержание мертвого органического вещества (как правило, легко разлагаемого) и понижается содержание кислорода (именно из-за гниения органики); то есть сдвигается органико-кислородный баланс. Сапробность и есть мера этого баланса. Повышение сапробности угнетает одни организмы (из-за недостатка кислорода), но благоприятно для других (требовательных к большому количеству пищи), то есть вызывает смену состава водных сообществ. Дело в том, что и в природе (без всяких антропогенных загрязнений) разные водоемы имеют разный естественный фон сапробности, и их обитатели также приспособлены к разным условиям. Одни водоемы (горные и северные озера, горные реки и ручьи) несут очень мало органических веществ и всегда насыщены кислородом – олигосапробны. Другие (большинство равнинных рек и озер) имеют умеренный фон органического питания (мезосапробны). Наконец, многие мелкие стоячие водоемы (пруды и болота), особенно в теплых и засушливых районах, перенасыщены разлагающейся органикой и почти лишены растворенного кислорода (полисапробны). Соответственно, коренные обитатели этих зон называются олиго-, мезо- и полисапробами. Было замечено также, что полисапробные организмы обычно лучше переносят и химические загрязнения (например, ядохимикатами или тяжелыми металлами), а также повышенную температуру и минерализацию воды. Это дает возможность применять сапробность и для оценки промышленных загрязнений водоемов.

 

Строгого соответствия между сапробностью и гидрохимическими показателями воды нет и быть не может. На качественном уровне еще Кольквитц и Марссон описывали химические градации сапробности следующим образом:

 

Олигосапробная зона – чистые воды, соединения азота в форме нитратов, вода насыщена кислородом; углекислоты в воде мало, сероводорода нет.

 

β-мезосапробная зона – соединения азота в форме солей аммония, нитритов и нитратов; кислорода обычно много, но возможны заморы у дна и ночью из-за прекращения фотосинтеза, сероводород иногда в небольшом количестве, характер биохимических процессов окислительный.

 

α-мезосапробная зона – присутствуют амино- и амидо- кислоты, условия среды полуанаэробные, характер биохимических процессов востановительно-окислительный; присутствует сероводород.

 

Полисапробная зона – в воде разлагающиеся белки, условия среды анаэробные, характер биохимических процессов восстановительный, в воде много сероводорода.

 

Предложенная концепция сапробности стала основой для биоиндикации – оценки качеств (и загрязнения) воды и водоемов (главным образом пресных) в целом по составу обитающих там организмов. В 1955 г. Пантле и Букк предложили так называемый индекс сапробности для оценки уровня загрязненности вод.

 

Индекс сапробности Пантле-Букка вычисляется по формуле:

 

 

                     ,

 

где Si- — индикаторная значимость вида i, hi, — его относительная численность,  
N — число видов-индикаторов. В полисапробных водоемах (зонах) он равен 4 — 3,5, α и β — мезосапробных 3,5 — 2,5 и 2,5 — 1,5, в олигосапробных 1,5 — 1, в котаробных — меньше 1.

Индексы сапробности, вычисленные по Пантле и Буку, тесно коррелируют с величинами биохимич. потребления кислорода (ВПК). Таким образом, сам индекс – это среднее значение сапробности всех найденных видов, с учетом их обилия.

 

Дальнейшие модификации индекса сапробности Пантле-Букка сводились главным образом к изменению списка индикаторных таксонов. Эти списки стали разрабатываться раздельно для разных экологических групп гидробионтов (фитопланктона, зоопланктона, зообентоса, макрофитов и рыб). Наибольшую известность получила модификация Сладечека, разработанная для оценки загрязнения водотоков Западной Европы (Sladecek, 1973). В ряде модификаций вместо индикаторных видов используются роды или даже семейства гидробионтов. Эти таксоны гораздо легче в определении и имеют более широкие ареалы (что очень удобно), но нередко включают виды с несколько различной сапробностью (что снижает точность оценки).