Животные – биоиндикаторы среды обитания человека

·  использоваться в естественных условиях его существования;

·  иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

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

  Для биоиндикации  необходимо выбирать наиболее  чувствительные сообщества, характеризующиеся  максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных эко системах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.

  К методам биоиндикации, которые можно применять при  исследовании экосистемы, относится  выявление в изучаемой зоне  редких и исчезающих видов. Список  таких организмов, по сути, является  набором индикаторных видов, наиболее  чувствительных к антропогенному  воздействию.

 

 

Особенности использования 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;

·  имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разной способностью к накоплению токсических веществ и неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов и функций;

·  сложные приспособления животных к условиям среды и четкие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воздействие;

·  животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно использовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействие фактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать особо чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.

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

  Оценка и прогнозирование  состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

  Морфо-анатомические  показатели описывают особенности  внешнего и внутреннего строений  животных и их изменение под  воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения  органов, возникновение уродств, опухолей  и других патологических проявлений).

  Поведенческие и физиолого-биохимические  параметры особенно чувствительны  к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воз действуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию ее сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

  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 эвритопность), т.е. этот критерий исключает использование в качестве тест-индикаторов эндемиков;

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

·  численность вида должна обеспечивать достаточный материал для анализа;

·  простота и доступность методов добывания видов.

  Анализируя по данным  критериям представителей всех  отрядов млекопитающих, встречающихся  на территории стран СНГ, можно  остановиться на семи видах: обыкновенная бурозубка (Sores araneus), европейский крот (Talpa europaea), алтайский крот (Talpa altaica), бурый медведь (Ursus arctos), лось (Alces alces), рыжая полевка (Clethrionomys glareolus), красная полевка (Clethrionomys rubilus).

 

  Кроме того весьма  перспективным является апимониторинг, предполагающий использование в качестве индикаторов медоносных пчел - распространенных и доступных животных, являющихся важным звеном трофической цепи. Однако прежде необходимо установить, в какой степени ткани пчел и их продукты отражают избыточное поступление металлов в организм, и косвенно -  состояние экосистемы.

  Для исследования  параметров пчелы как биоиндикатора  загрязнения среды тяжелыми металлами (на примере железа) был поставлен  эксперимент, в котором избыточное  поступление металла моделировалось  путем введения в корм пчел  железосодержащих добавок. Концентрация  железа в корме пчел опытных  групп по сравнению с контролем  была выше в 5 и 10 раз. Все эксперименты  длились в течение 2-х месяцев, после их завершения из контрольных  и опытных семей были отобраны  пробы меда из свежезапечатанных сотов, воска, перги и молочка из ячеек с расплодом, а также пчелы на разных стадиях развития (от яйца до имаго). Уровень железа в образцах был определен методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

  В ходе исследований  были получены данные о динамике  уровня железа в организме  пчел на протяжении индивидуального развития особей. Они показали, что накопление железа в теле пчелы в процессе онтогенеза носит довольно неравномерный характер. Динамика уровня железа в теле развивающихся пчел меняется при его повышенном поступлении. Выраженность эффекта зависит от концентрации железа в рационе. При пятикратном повышении дозы железа в корме уровень элемента в тканях яиц почти не выходит за пределы нормы, но на стадии личинки возрастает, как правило, в  3 раза. При десятикратном увеличении железа в рационе эти сдвиги заметнее. Содержание железа в тканях яиц увеличивается примерно в 2 раза, личинок - в 4 - 5 раз, предкуколок  и куколок - в 6 - 8 раз. В теле имаго наиболее заметно увеличивается уровень железа в кишечнике и покровах брюшка (в 8 - 10 раз).

  Наряду с накоплением  железа в тканях возрастает  и его содержание в продуктах  пчел. Наиболее заметны изменения  уровня железа в меде: в условиях 5- и 10-кратного увеличения доз  железа в корме концентрация  в меде повышается  примерно  в 2 и 10 раз  соответственно. В перге  и молочке концентрация элемента, наоборот, достаточно стабильна.

  Полученные результаты  говорят о возможности использования  пчел и некоторых их продуктов  в качестве биоиндикаторов загрязнения  окружающей среды тяжелыми металлами. В дальнейшем планируется выявить  критический уровень поступления  железа, при котором появляются  изменения его содержания в  биосредах.

 

  Также хорошие результаты  дает анализ бентосных (придонных) беспозвоночных. Оценка чистоты  водоемов делается по преобладанию, либо отсутствию тех или иных  таксонов.

  Трубочник образует огромные скопления в илу сильно загрязненных рек, в незначительных количествах встречаются также на песчаных и каменистых грунтах более чистых рек.

  Мотыль образует большие скопления в иле сильно загрязненных органическим веществом рек.

  Крыска (эриталис) - это личинка мухи - пчеловидки из семейства журчалок. Крыска обитает в загрязненных органическим веществом водоемах с черным илом и сильным запахом сероводорода.

 

 

Биоиндикация на разных уровнях организации живого

  Биоиндикация может  осуществляться на всех уровнях  организации живого: биологических  молекул, 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.

 

Клеточный и субклеточный уровни

  Биоиндикация на этих  уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Её достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее ранее 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 разобрать тот или иной способ биоиндикации на этом уровне, необходимо выяснить механизмы действия поллютантов.

 

Влияние поллютантов на биомембраны (на примере клеток растений)

  1. Сернистый газ. SO2 проникает в листву через устьица, попадает в межклеточное пространство, растворяется в воде с образованием SO32 - /HSO3- ионов, разрушающих клеточную мембрану. В итоге снижается буферная емкость цитоплазмы клетки, изменяются её кислотность и редокспотенциал.

  2. Озон и другие окислители, например, пероксиацетилнитрата. Нарушают проницаемость мембран. Этот эффект усугубляется в присутствии ионов тяжелых металлов.

 

Изменение концентрации и активности макромолекул

  Ферменты. Действие поллютантов на ферменты нарушает процесс нормального присоединения фермента к субстрату (С-Ф). это может происходить тремя различными способами:

  1)  К ферменту вместо субстрата присоединяется поллютант-ингибитор с образованием комплекса Ф-И (отравление СО);

  2)  Поллютант ингибирует фермент, расщепляя его связь с субстратом: C↘Ф;

  3)  Присоединяясь к субстрату вместе с ферментом, поллютант ингибирует его: С-Ф-И.

 

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.

 

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.

 

 

Примеры изменений животных в нарушенной среде

  Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других используют в целях биоиндикации.

  1.  Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски; уродства):