Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

 Оценка  токсичности  проводится  по  разнообразным тест-функциям: выживаемости, плодовитости, двигательной активности, поведенческим  реакциям,  а  также  по  качеству  потомства.  Дафнии  довольно чувствительны к повреждениям, и поэтому для достижения хороших результатов в опыте необходимо, особенно при переносе рачков, соблюдать осторожность.  Большинство методов биотестирования с использованием дафний базируется на  регистрации  визуально  или  автоматически  гибели  рачков  под воздействием вредных веществ. Однако еще до гибели действие токсиканта проявляется в изменении поведенческих реакций организмов. Эти реакции можно разделить на функциональные и органические. Функциональные реакции проявляются на ранних стадиях отравления и носят обратимый характер, если воздействие токсиканта прекратится. Органические реакции свидетельствуют о глубоком отравлении организма и носят необратимый характер.

Рассмотрим  использование этих тест-объектов для обнаружения и идентификации в воде некоторых классов пестицидов. К числу наиболее токсичных химических соединений относятся фосфорорганические и карбаматные пестициды, обладающие антихолинэстеразным действием. В эту группу входят и некоторые боевые отравляющие вещества (зарин, зоман, V-газы), уничтожение которых также приводит к загрязнению природных сред, включая водные объекты. Для обнаружения в воде антихолинэстеразных соединений обычно используют очищенные холинэстеразы. В основе этого метода, не отличающегося высокой чувствительностью, лежит способность токсикантов снижать активность фермента. Обнаружение антихолинэстеразных соединений более эффективно может производиться с помощью дафний, которые в сравнении с мышами в 5-18 раз чувствительнее к карбаматным пестицидам и в 1000—75 000 раз чувствительнее к фосфорорга-ническим соединениям (Тонкопий и соавт., 1993).

Методология определения  сводится к следующему. Если у дафний, помещенных в пробу тестируемой  воды, отмечается 50-100%-ная гибель, а при помещении в ту же воду с добавленным в нее алкалоидом атропином (известный антидот, м-холинолитик) токсическое действие достоверно снижается, то это свидетельствует о наличии в пробе воды соединения с антихолинэстеразным действием. Так, при задании в воде концентрации атропина 12 мг/л величина ЛК50 карбаматного пестицида аминостигмина для дафний увеличивалась с 12 до 84 мкг/л, т. е. в семь раз. С другой стороны, добавление в испытуемую воду миорелаксанта дитилина приводит к уменьшению полулетальной концентрации антихолинэстеразных пестицидов: гибель 50 % дафний наблюдается уже при концентрациях пестицидов на уровне 0,05-0,25 JIKso- Такой эффект позволяет обнаруживать антихолинэстеразные токсиканты при их содержании в нетоксических концентрациях и, что очень важно, регистрировать хроническое воздействие.

В опытах с медицинскими пиявками была продемонстрирована также  возможность селективного обнаружения фосфорорганических и карбаматных токсикантов. Летальность при отравлении пиявок карбаматными пестицидами снижается в четыре раза, если животных предварительно выдерживают в воде с добавкой к-холинолитика педифена (1 мг/л) или вводят его внутримышечно. Если же токсическое действие тестируемой пробы воды предотвращается только при одновременной обработке пиявок педифеном и каким-либо карбаматом, то это говорит о наличии в пробе фосфорорганических соединений. В этом случае мы имеем дело с примером групповой биоидентификации токсиканта. Кроме дафний и пиявок для биотестирования применяются бактерии, водоросли, высшие растения, моллюски, рыбы (главным образом, на ранних стадиях развития) и другие организмы. Каждый из этих объектов имеет свои преимущества и ограничения, и ни один из организмов не может служить универсальным "тестером", одинаково чувствительным ко всем загрязняющим веществам. С другой стороны, нецелесообразно бесконечно расширять круг биологических тест-объектов.

По чувствительности и степени изученности среди  других тест-объектов кроме дафний «D. Magna» и «D. Pulex» выделяются несколько видов микроскопических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых «Scenedesmus quadricauda», хлорелла «Chlorella») и пять-шесть видов рыб, как аквариумных, так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду химикатов.

3 БИОИНДИКАЦИЯ

           3.1 История развития  биоиндикации

Использование живых организмов в качестве чувствительных к загрязнению окружающей среды уходит своими корнями в древние века. Первые наблюдения сделали еще античные ученые: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327 – 287 гг. до н. э. Теофраст написал широко известную работу «Природа растений», в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего.

Идею биоиндикации с помощью растений сформулировал еще в I в. до н. э. Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Это направление, ныне получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях.

В России в XV и XVI вв., уже упоминались такие понятия, как «лес пашенный» и «лес непашенный», т.е. участки леса пригодные для  сведения под пашню и непригодные.

В нашей стране основоположником биоиндикационного использования растений, оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова бесспорно считают А. П. Карпинского. А.П. Карпинский писал о возможности растительной биоиндикации, и использовал характер распространения растений для составления геологических карт. Например. Почвенные микроорганизмы и индикаторные растения служат при поисках различных полезных ископаемых. Также в трудах М.В.Ломоносова и А.Н.Радищева есть упоминания о растениях указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.

По словам Кашина, Иванова (1980 г.), «растения являются высокоинформативным индикатором уровня доступных форм химических элементов в окружающей среде и основным источником их для человека и животных. В связи с этим они представляют большой интерес в качестве эффективных объектов при экологическом мониторинге загрязнения окружающей среды …»

Использование растений как индикаторов загрязнений  окружающей среды было показано Константином и Овенсом. У.Д. Мэнинг и У.А. Федер (1985) определяют растение-индикатор как «растение, у которого признаки повреждения появляются при воздействии на него фитотоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ. Индикаторными могут быть так же те растения, которые аккумулируют в тканях загрязняющие вещества или продукты метаболизма, получаемые в результате взаимодействия растения и загрязняющего вещества. Роль растений как объектов генетических исследований не может не дооцениваться, поскольку лишь благодаря им были установлены основные принципы и положения генетики и цитогенетики.

Но, а самый большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый-почвовед В.В.Докучаев. По комплексам почвенных животных можно определить типы почв и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Самое быстрое  освоение биоиндикации началось в XIX в., когда быстрыми темпами стали  осваивать окраины нашей страны. Сейчас целесообразно говорить не только наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс. Разная степень влияния на окружающую среду. Это позволяет ввести шкалу воздействий (например, нет воздействия – слабое – сильное). Это шкала экологического фактора позволяет более верно оценивать исследуемую территорию. В этом случае следует говорить – методе количественной оценки степени воздействия экологического фактора на окружающую природную среду. При помощи биоиндикации устанавливают содержание в субстрате витаминов, антибиотиков, гормонов и др, биологически активных веществ, а также определяет интенсивность различных химических (pH, содержание солей и др.) и физических факторов (радиоактивность) и другие среды. И так, по составу флоры и фауны вод, численному составу их отдельных представителей судят о степени и характере загрязнений, пригодности вод для питья и хозяйственных целей, а так же об эффективности работы очистных сооружений.

На современном  этапе наиболее важные задачи биоиндикации и биомониторинга состоят в разработке теоретических основ и методологии анализа реакции биологических систем на многофакторные воздействия с учетом дифференциальных отличий патогенных агентов, факторов риска, патотропных ситуаций и патологических явлений в зависимости от экологических условий и состояния организмов, популяций, ценозов и отдельных экосистем.

Впервые в России в 2001 г. в г. Сыктывкар на базе Института  биологии Коми НЦ УРО РАН. Международный  союз биологических наук, Междисциплинарная  комиссия по биоиндикаторам и Российская академия наук провели XI международный симпозиум по биоиндикаторам «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга». В нем участвовало 500 представителей 102 организаций из 25 стран мира. К началу симпозиума было опубликовано более 300 присланных научных сообщений. Он стал важным этапом в развитии концептуальных подходов к решению проблемы взаимоотношения человека и природы. Практически с этого момента можно говорить о рождении в нашей стране научно обоснованной концепции биомониторинга. Десять предыдущих симпозиумов в основном были посвящены разработке критериев и методов оценки качества окружающей среды. В этот же раз обсуждались помимо традиционных вопросов биоиндикации новые методы, включая дистанционное зондирование, и новые подходы, охватывающие комплексные методы индикации – от традиционных биогеохимических до создания геоинформационных систем.

3.2 Теория и сущность биоиндикации

Биоиндикация (от греч.  «bioindication») – это 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. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биоиндикация  может проводиться на уровне макромолекул, клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы. Чувствительными биоиндикаторами  могут служить как отдельные  процессы в клетке и организме (изменение  ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и морфологические изменения (изменения формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои). Возможно выделение нескольких уровней биоиндикации (рисунок 11)

Основой задачей  биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Очевидно, что сложность живой материи и характера ее взаимодействия с внешними факторами возрастает по мере повышения уровня организации. В этом процессе биоиндикация на низших уровнях организации должна диалектически включаться в биоиндикацию на более высоких уровнях, где она предстает в новом качестве и может служить для объяснения динамики более высокоорганизованной системы.

                    Рисунок 11 – Основные уровни биоиндикации

Считается, что  использование метода биоиндикации позволяет решать задачи экологического мониторинга в тех случаях, когда  совокупность факторов антропогенного давления на биоценозы трудно или неудобно измерять непосредственно. К сожалению, современная практика биоиндикации носит в значительной мере феноменологический характер, выраженный в пространном изложении подмеченных исследователем фактов поведения различных видов организмов в конкретных условиях среды. Иногда эти описания сопровождаются не всегда обоснованными выводами, носящими, как правило, сугубо оценочный характер (типа "хорошо / плохо", "чисто / грязно" и т.д.), основанными на чисто визуальных методах сравнения или использовании недостаточно достоверных индексов. Чаще всего такой "прогноз" делается, когда "общественное" мнение по конечному результату оценки качества экосистемы уже заранее известно, например, по прямым или косвенным параметрам среды. В результате этого, роль биоиндикации оказалась сведенной к следующей совокупности действий, технологически совпадающей с биомониторингом: выделяется один или несколько исследуемых факторов среды (по литературным данным или в связи с имеющейся программой мониторинговых исследований); собираются полевые и экспериментальные данные, характеризующие биотические процессы в рассматриваемой экосистеме, причем теоретически эти данные должны измеряться в широком диапазоне варьирования исследуемого фактора (например, в условно-чистых и в условно-грязных районах); некоторым образом (путем простого визуального сравнения, с использованием системы предварительно рассчитанных оценочных коэффициентов или с применением математических методов первичной обработки данных) делается вывод об индикаторной значимости какого-либо вида или группы видов. В редких случаях делаются практические попытки оценить лимитирующий уровень рассматриваемого фактора загрязнения, т.е. выполнить так называемый "анализ биологически значимых нагрузок". И только в исключительных случаях выполняется собственно операция "индикации", когда с использованием биоиндикаторных показателей прогнозируются неизвестные факторы среды и оценивается их значимость для всей экосистемы в ближайшем и отдаленном будущем.