Контрольная работа по дисциплине "Биоиндикация и биотестирование"

 

Сладечек, расширивший систему Кольквитца–Марссона, предложил несколько изменить значение индекса для зон сапробности и принять его значения для наиболее загрязненных (эусапробных) вод от  4.51  до  8.5, а для чистых, ксеносапробных вод от  0  до  0.5

Неоднозначны взгляды различных авторов на оценку показателя обилия  hi :

• Пантле и Букк предложили следующие относительные градации – 1 – случайные находки,  3 – частая встречаемость,  5 – массовое развитие ;

• Сладечек в своей модификации метода прибегает к более дробной детализации –  1 – очень редко, 2 – редко, 3 – нередко, 5 – часто, 7 – очень часто, 9 – массовое развитие ;

• Дзюбан и Кузнецова считают, что наименьшие искажения будут, если включать в формулу вместо относительных баллов  h  фактическое количество особей.

 

На самом деле даже многие индикаторные виды встречаются в водах нескольких смежных зон сапробности, что дает погрешность при установлении сапробности водоема в целом. В этой связи Зелинка и Марван в 1961 году предложили понятие сапробной валентности – распределения встречаемости каждого вида по зонам сапробности. Для учета сапробной валентности при вычислении индекса сапробности авторы ввели так называемый индикаторный вес (J) в баллах от 1 до 5, показывающий специфичность вида к определенно сапробной зоне. Виды с индикаторным весом 5 наиболее строго приурочены к какой-то сапробной зоне, а с весом 1 – часто встречаются в нескольких зонах.

Вектор сапробных валентностей вида показывает, в какой мере вид характерен для той или иной ступени сапробности.

 Сапробные валентности теоретически совпадают с оценками распределения вероятности встречаемости вида в каждом из индицируемых классов и выражаются одной или несколькими цифрами, сумма которых для вида равна 10.

Чтобы подчеркнуть роль отдельных видов при оценке степени загрязнения, Зелинка и Марван вводят шкалу индикаторного веса  J, который оценивается для каждого вида в баллах от 1 до 5.  Индикаторные веса  Ji предлагается вычислять, ориентируясь на характер распределения сапробных валентностей по классам. Если валентности равномерно распределяются по классам, то такие виды считаются индифферентными  или плохими индикаторами и получают небольшой балл.

где к – множество классов сапробности,  i – множество индикаторных видов, aik – коэффициент сапробной валентности,  Ji - индикаторный вес, hi - количество видов.

 

 

Изложенные выше положения стали базовыми для целой области знаний, в которой разработано множество (не менее нескольких десятков) разных способов оценки качества воды и их модификаций (обзор см. Макрушин, 1974; Семенченко, 2004). Они требуют различного уровня определения (и подготовки специалистов), несколько разных методов сбора проб, рассчитаны на применение в  разных регионах или для определенных типов водоемов, но практически все прямо или косвенно связаны с концепцией сапробности.

 

Сравнение выборок с использованием индексов общности (сходства)

 

В ходе биологических исследований приходится сравнивать отдельные водоемы, биоценозы, участки, пробы и т.д. Для этой цели используют разные коэффициенты общности, из которых отметим наиболее часто используемые.

Коэффициент общности Жаккара:

Ij=a/(a+b+c),

где a – общее число общих видов, b – число видов в 1-м списке, c – число видов во 2-м списке.

Коэффициент общности Чекановского-Серенсена:

 Is=2a/((a+b)+(a+c)),

где где a – общее число общих видов, b – число видов в 1-м списке, c – число видов во 2-м списке.

 

Большинство исследователей на сегодня считают наиболее оптимальным индекс Шеннона. Он предложен еще в 1963 году для оценки степени структурированности биоценозов как степень упорядоченности (информированности) системы (Шеннон, 1963; Shanon, Weaver, 1963):

 

 

где Pi – вероятность события, ; k – их число. ni – число особей вида, Ni – общее число видов в биоценозе.

Она отражает как видовое разнообразие, так и выравненность относительной численности видов в сообществе. Чем выше величина индекса, тем благополучнее состояние сообщества.

Н иногда называется информационным индексом разнообразия К.Шеннона – У. Уивера.

 

 

 

4. Биотестирование окружающей среды

 

Биотестирование (bioassay) — 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 используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или 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 тестироваться также 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).

Биоиндикацию можно проводить на уровне молекул, клеток, органов (систем органов), организмов, популяций или даже биоценоза. Повышение уровня организации живой природы может приводить к усложнению, неоднозначности взаимосвязи биологического отклика с антропогенными факторами исследуемой среды, поскольку на них могут накладываться и природные факторы. Поэтому в качестве биотестов выбирают наиболее чувствительные к исследуемым загрязнителям организмы. Биоиндикация качества наземных экосистем возможна по различным видам и сообществам растений и животных. Для гидробиологического анализа качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоёмы: планктонные и бентосные беспозвоночные с особой ролью простейших, водоросли, макрофиты, бактерии и грибы. Каждая из них. выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации. При решении задач биоинднкаппи и связанных с ними задач экологического прогнозирования необходимо уделять внимание трём основным аспектам:

• выделению системообразующих факторов и целям прогнозирования;

• разработке соответствующих методов и моделей;

• проблеме оценки достоверности получаемых результатов.

Актуальность этих исследований подтверждается тем, что число количественных методов биоиндикации на сегодняшний день еще очень мало. Многие организмы способны аккумулировать (накапливать) химические загрязнители выше их естественного содержания в воде и почве без быстро проявляющихся нарушений. Такая способность тест-организмов оказалась полезной в качестве индикаторного признака загрязнения ОС и используется для аккумулятивной биоиндикации. Этот приём биотестирования применяют при исследовании процессов миграции токсичных веществ в ОС. В качестве тест-организмов выбирают те. которые имеют высокий коэффициент биологического накопления (КН) токсикантов из ОС. Фитопланктон. например, имеет значение КН по тяжелым металлам (ТМ) от 102 до 104, для полихлорированных бифенилов (ПХБ) величина КН достигает 1,7Т05.

Значение КН зависит от природных факторов (например, от температуры идр.). Например, бенз(а)пирен в гидробиоте Берингова моря накапливается с КН, равным 3 103, а в тёплых водах Средиземного моря КН возрастает в 5 раз. Значение КН используется для глобального и регионального мониторинга ОС.

Для оценки загрязнения природных вод кадмием можно использовать результаты анализа его содержания в водорослях, ПХБ - в жирных тканях морских млекопитающих, никелем - в устрицах. Содержание ртути в почвах наиболее удобно проследить по накоплению в капусте, галогенидов - по содержанию в иглах сосны и в лишайниках. Лучшим индикатором загрязнения автострад свинцом и кадмием считается подорожник, растущий вдоль дорог.

Таким образом, методами биоиндикации и биотестирования определяется присутствие в ОС того или иного загрязнителя по наличию или состоянию определённых организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, т е. обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сообществ. Следовательно, применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Отметим, что методом биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на ОС.

 

5. Биотестирование наземно-воздушных сред и почвы

 

Биотестирование

 

Биотестированием называется частный случай биоиндикации, когда у свободно живущих организмов, находящихся в стандартизованных условиях, исследуются повреждения или отклонения от нормы, вызванные воздействием неблагоприятных факторов (токсических веществ).

Так, например, при использовании в качестве биотеста люминесцентных бактерий снижение уровня их люминесценции на 50% и более в опыте по сравнению с контролем через 30 мин. после воздействия анализируемой про-бой оценивается как токсическое воздействие пробы.

Также токсичной считается проба, если при использовании в качестве тест-объекта одноклеточных водорослей произошло снижение их численности на 50% и более в опыте по сравнению с контролем за 72 часа биотестирования и т.д.

Предоставляя мало информации о природе токсического агента, биотестирование дает возможность с большой достоверностью определять степень общей токсичности объекта исследований. Методы биотестирования отличаются высокой чувствительностью и позволяют определять токсические вещества в концентрации до 10-8%. Объектом исследований может быть любой объекты внешней среды (вода, почва), отходы промышленного производства и т.д.

Так, например, в связи с возрастающим антропогенным загрязнением воды на Земле возникает необходимость в экспресс-анализе ее качества. В настоящее время оценку качества воды, включающую содержание физиологически вредных примесей, принято контролировать дифференцированными химическими анализами, а пригодность – сравнением с существующими ГОСТами. Однако число известных токсикантов сейчас уже превысило 40000, а гостировано лишь около 1000. Следует учесть и стоимость химического анализа воды- более 1000 руб. при расширении спектра обязательных исследований по новому ГОСТ. Все это ограничивает возможности применения химических способов исследования и делает систему биологического тестирования все более привлекательной.

Для интегральной оценки применяют различные биотесты, известно их более 100. В качестве тест-объектов используют представителей основных трофических звеньев водной экосистемы: бактерии, водоросли, простейшие, ракообразные, рыбы.

 

Основные понятия и термины:

БИОТЕСТИРОВАНИЕ – оценка токсичности объекта внешней среды по его воздействию на биологическую тест-систему.

ТЕСТ-СИСТЕМА – это пространственно ограниченная совокупность чувствительных элементов (тест-организмов) и среды, в которой они находятся.

Тест-система может состоять из группы организмов одного вида сообщества нескольких биологических видов, целой экосистемы.

В результате воздействия токсического вещества тест-объект или вся тест-система претерпевает определенную деформацию, что проявляется в виде ряда реакций тест-системы на различных уровнях ее функционирования. Эти реакции различаются по чувствительности, скорости проявления, легкости наблюдения. Одну из этих реакций выбирают в качестве тест-реакции – закономерно возникающей ответной реакции тест-системы на воздействие комплекса внешних факторов, выбранных для анализа состояния этой системы. Степень проявления тест-реакции оценивается по тест-критерию. Это показатель, на основании которого производится оценка изменения тест-системы. По степени проявления тест-реакции судят о токсичности исследуемого образца.

 

БИОТЕСТИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФУЗОРИЙ

("ПНД  ФТ 14.1:2:3:4.2-98 Методика определения  токсичности воды

по хемотаксической реакции инфузорий")

Этот метод биотестирования является наиболее простым, доступным для практических лабораторий и наиболее чувствительным.

В литературе есть упоминания об использовании в качестве тест-объектов нескольких десятков инфузорий, из которых у нас наиболее часто применяют 2 вида: Paramecium caudatum и Tetrahymena pyriformis. Кроме того, используют также представителей родов Stylonychia и Colpoda

Суть метода заключается в том, что на культуру инфузорий в оптической кювете наслаивают исследуемый субстрат в жидкой фазе. Инфузории, обладая высокой подвижностью, могут свободно мигрировать из одной фазы в другую, но присутствие в верхней фазе токсических веществ сдерживает этот процесс (отрицательный хемотаксис). Через некоторое время устанавливается равновесие по концентрации инфузорий между верхней и нижней фазой, причем концентрация их в верхней фазе зависит от концентрации в ней токсического вещества .Через тридцать минут концентрацию инфузорий в верхней фазе измеряют прибором БИОТЕСТЕР и сравнивают с концентрацией в контроле (водопроводная вода). Результат выражается в виде безразмерной величины – индекса токсичности по разнице концентраций инфузорий в верхних фазах опыта и контроля.