ЗМІСТ
Введення
1. Теорія і сутність біоіндикації
2. Методи біоіндикації
2.1 Оцінка значущості впливів
2.2 Біологічні методи оцінки. Біотестування
3. Живі біоіндикатори
Список літератури
ВСТУП
Найбільш часто цитованої і, в той же час, найбільш ідеологічно розпливчатою областю екології є деяка сукупність методів, звана "біоіндикація". Хоча витоки спостережень за індикаторними властивостями біологічних об'єктів можна знайти в працях дослідників природи самої глибокої давнини, до цих пір відсутня струнка теорія і адекватні методи біоіндикації.
Основою завданням біоіндикації є розробка методів і критеріїв, які могли б адекватно відображати рівень антропогенних впливів з урахуванням комплексного характеру забруднення і діагностувати ранні порушення в найбільш чутливих компонентах біотичних угруповань. Біоіндикація, як і моніторинг, здійснюється на різних рівнях організації біосфери: макромолекули, клітини, органу, організму, популяції, біоценозу. Очевидно, що складність живої матерії і характеру її взаємодії із зовнішніми факторами зростає в міру підвищення рівня організації. У цьому процесі біоіндикація на нижчих рівнях організації повинна діалектично включатися в біоіндикація на більш високих рівнях, де вона постає в новій якості і може служити для пояснення динаміки більш високоорганізованої системи.
Вважається, що використання методу біоіндикації дозволяє вирішувати задачі екологічного моніторингу в тих випадках, коли сукупність факторів антропогенного тиску на біоценози важко або незручно вимірювати безпосередньо. На жаль, сучасна практика біоіндикації носить значною мірою феноменологічний характер, виражений в спільному викладі помічених дослідником фактів поведінки різних видів організмів у конкретних умовах середовища. Іноді ці описи супроводжуються не завжди обгрунтованими висновками, що носять, як правило, суто оціночний характер (типу "добре / погано", "чисто / брудно" і т.д.), заснованими на чисто візуальних методах порівняння або використання недостатньо достовірних індексів. Найчастіше такий "прогноз" робиться, коли "суспільне" думка по кінцевому результату оцінки якості екосистеми вже заздалегідь відомо, наприклад, за прямими або непрямих параметрах середовища. У результаті цього, роль біоіндикації виявилася зведеною до наступної сукупності дій, технологічно збігається з біомоніторингу:
· Виділяється один або декілька досліджуваних факторів середовища (за літературними даними або у зв'язку з наявною програмою моніторингових досліджень);
· Збираються польові та експериментальні дані, що характеризують біотичні процеси в розглянутій екосистемі, причому теоретично ці дані повинні вимірюватися в широкому діапазоні варіювання досліджуваного чинника (наприклад, в умовно-чистих і в умовно-брудних районах);
· Певним чином (шляхом простого візуального порівняння, з використанням системи попередньо розрахованих оціночних коефіцієнтів або із застосуванням математичних методів первинної обробки даних) робиться висновок про індикаторної значущості будь-якого виду або групи видів.
У рідкісних випадках робляться практичні спроби оцінити лімітуючий рівень розглянутого фактора забруднення, тобто виконати так званий "аналіз біологічно значимих навантажень". І тільки у виняткових випадках виконується власне операція "позначки", коли з використанням біоіндикаторні показників прогнозуються невідомі фактори середовища і оцінюється їх значущість для всієї екосистеми в найближчому і віддаленому майбутньому. Як нечисленних прикладів організації комплексних гідроекологічних біоіндикаційних досліджень, в результаті яких був сформульований деякий комплекс науково-обгрунтованих природоохоронних рішень, можна навести роботи з оцінки екологічного стану оз. Байкал, рік Неви і Чапаєвки.
1. ТЕОРІЯ І СУТНІСТЬ Біоіндикація
Значною мірою теоретична і практична неповнота робіт в області біоіндикації пов'язана з об'єктивними методологічними труднощами відображення і моделювання предметної області. Оцінка антропогенного впливу на біотичні компоненти екосистем багато в чому ускладнюється просторово-часової диференціацією видової структури, тому що ценопопуляції одного і того ж виду, що входять в різні співтовариства організмів, характеризуються різними екологічними умовами проживання та їх реакції на дію фактори можуть істотно відрізнятися. У видів зі слабко вираженими механізмами популяційного гомеостазу ці реакції завжди досить контрастно виражаються в зниженні фізіологічної стійкості частини особин до дії антропогенних факторів і, в кінцевому рахунку, в порушенні процесів репродукції. Однак для більшості видів реагування на будь-техногенний вплив (якщо, зрозуміло, воно не носить катастрофічний характер) принципово не відрізняється від вироблених в ході еволюції тривіальних реакцій на коливні зміни середовища. У процесі адаптації біоценозу до мінливих умов включаються компенсаційні механізми і, при помірних впливові, в популяціях виробляється деякий середній, генетично обумовлений рівень інтенсивності відтворення за рахунок "перерозподілу факторів смертності". І тільки в тому випадку, коли тиск антропогенних факторів виводить екосистему за рамки природної мінливості, відбувається порушення динамічної стабілізації популяційних зв'язків, змінюється генетичний склад і йде придушення найбільш генералізованого властивості популяцій - відтворювального процесу.
Необхідною умовою для виявлення якісних порушень біотичних процесів, що відбуваються в екосистемах під впливом антропогенних факторів, є знання діапазону природної мінливості біоценозів, тобто побудова простору стану популяцій. У зв'язку з цим виникає необхідність визначення тих параметрів, які дозволять із заданою подробицею і точністю оцінити стан біоценозу, вичленувати зміни, викликані дією антропогенних факторів, і отримати необхідну і достатню інформацію для прогнозу можливих змін стану екосистеми. Однак для отримання такого "динамічно достатнього опису" (термін Б. К. Павлова) необхідно знання "правил" внутрішнього перетворення популяцій в результаті дії будь-яких чинників. Але ми не можемо сформулювати ці "правила" до тих пір, поки не визначимо ряд необхідних і достатніх параметрів опису стану популяцій, досить чутливих, інформативних і володіють достатньою селективністю в рамках поставленої задачі.
Щодо благополучно справа йде з описовим поясненням термінів. Наприклад, згідно з визначенням Н.Ф. Реймерса:
"Біоіндикатор: група особин одного виду або співтовариство, за наявності, стану і поведінки яких судять про зміни в середовищі, в тому числі про присутність і концентрації забруднювачів ... Спільнота індикаторне - спільнота, за швидкістю розвитку, структуру та благополуччю окремих популяцій мікроорганізмів, грибів, рослин і тварин якого можна судити про загальний стан середовища, включаючи, її природні та штучні зміни ".
Безумовно, об'єктивні факти свідчать про існування тісної впливу факторів середовища на біотичні процеси екосистеми (щільність популяцій, динаміку видової структури, поведінкові особливості). Такі фактори середовища, як світло, температура, водний режим, біогенні елементи (макро-і мікроелементи), солоність і інші мають функціональну важливість для організмів на всіх основних етапах життєвого циклу. Однак можна використовувати зворотну закономірність і судити, наприклад, за видовим складом організмів про тип фізичного середовища. Тому "Біоіндикація - Це визначення біологічно значимих навантажень на основі реакцій на них живих організмів і їх спільнот. Повною мірою це стосується всіх видів антропогенних забруднень ".
Істотні методологічні труднощі біоіндикації виникають і при оцінці стану біоценозу по співвідношенню видів в конкретній екосистемі вибірковим методом. Якщо виходити з розуміння популяції, як сукупності особин, то інформація, яку ми отримали, не може бути екстрапольована за межі часового періоду або станції (полігону), на якому здійснено вибірка. Необхідно отримати інформацію про форму розподілу ймовірностей знаходження особин у тій чи іншій точці простору екосистеми. Виходячи із знайденого закону розподілу, можна розрахувати число необхідних проб, які забезпечують задану точність інтерполяції. Такий підхід можливий для оцінки стану популяцій на невеликих площах, наприклад, в невеликих замкнутих мілководних водоймах. Для великих водойм кількість вибірок обмежується часом, за які можна зробити проби в подібних умовах (наприклад, навіть протягом доби може відбутися перерозподіл планктонних особин у просторі). Проблеми, пов'язані з вивченням просторово-часової диференціації зоопланктону при проведенні моніторингових досліджень, показані, наприклад, на великому експериментальному матеріалі О.М. Кожовой і Б.К. Павловим [1986].
Таким чином, біоіндикація можна визначити як сукупність методів і критеріїв, призначених для пошуку інформативних компонентів екосистем, які могли б:
· Адекватно відображати рівень впливу середовища, включаючи комплексний характер забруднення з урахуванням явищ синергізму діючих факторів;
· Діагностувати ранні порушення в найбільш чутливих компонентах біотичних угруповань і оцінювати їх значущість для всієї екосистеми в найближчому і віддаленому майбутньому.
З точки зору математики поставлена задача біоіндикації в реальних умовах відноситься до класу погано формалізованих задач, оскільки характеризується наступними особливостями:
· Істотною багатомірністю факторів середовища і вимірюваних параметрів екосистем;
· Сильної взаємообумовленістю всього комплексу виміряних змінних, що не дозволяє виділити в чистому вигляді функціональний зв'язок двох індивідуальних показників F (x);
· Нестаціонарністю більшої частини інформації про об'єкти та середовищі;
· Трудомісткістю проведення всього комплексу вимірювань в єдиних координатах простору і часу, в результаті чого оброблювані дані мають великі пропуски.
У зв'язку з цим, знаходження адекватної зв'язку індикаторів і індикованих факторів є типовою операцією з "розмитими" множинами, а, отже, характеризується істотною невизначеністю (стохастичність).
У той же час, на цей момент склалися умови, що дозволяють подолати деяку математичну "ущербність" біоіндикації:
· Сформовані банки багаторічних даних за спостереженнями за природними екосистемами;
· Розроблено та апробовано ряд методів та математичних моделей інтегральної оцінки стану складних систем різного типу, що дозволяють, за термінологією А.П. Лєвіча і А.Т. Терьохіна, здійснювати "пошук детермінації і розпізнавання образів у багатовимірному просторі екологічних факторів для виділення кордонів між областями нормального і патологічного функціонування екосистем";
· Розвиваються апаратні і програмні інформаційні комп'ютерні технології, що дозволяють аналізувати необхідні масиви екологічних даних;
· Існує величезний обсяг неформальних знань висококваліфікованих фахівців, частково сконцентрований у методичних розробках.
Розглянемо в цьому зв'язку деякі спеціальні методи вирішення завдань біоіндикації.
2. Методи біоіндикації
2.1 Оцінка значущості впливів
Відповідно до природоохоронних законодавством Російської Федерації, оцінка якості навколишнього природного середовища проводиться з метою встановлення гранично допустимих норм впливу, які гарантують екологічну безпеку населення, збереження генофонду та забезпечують раціональне використання і відтворення природних ресурсів в умовах стійкого розвитку господарської діяльності [Федеральний закон .., 2002 , ст. 1, 3, 19, 63]. При цьому, під впливом взагалі розуміється антропогенна діяльність, пов'язана з реалізацією економічних, рекреаційних, культурних інтересів і вносить фізичні, хімічні, біологічні зміни в природне середовище.
Оцінка значущості впливів
Значимість впливу безпосередньо залежить від його виду чи природи (шумове, радіаційне, викиди певних речовин в повітря і т.д.), фізичної величини та ймовірності його виникнення [черпаючи та ін, 2000]. Поняття величини охоплює тут кілька чинників, таких як інтенсивність впливу (наприклад, підвищення величини показника БСК 5 в річці до 10 мг / л); тривалість впливу; масштаб розповсюдження впливу. При цьому масштаб розповсюдження впливу оцінюється як в термінах площі (наприклад, територія, на якій зафіксовано підвищення радіаційного рівня), так і в термінах чисельності біологічних об'єктів, наявності особливо охоронюваних територій і т.д., які зазнають впливу даного чинника. Додатковим аспектом, який найчастіше не враховується при оцінці значущості впливів, є його контекст. Впливу, однакові за величиною і ймовірності, можуть розглядатися як більш або менш важливі, впливати на рішення, більшою чи меншою мірою залежно від того, де саме вони мають місце, як вони сприймаються зацікавленими особами, яка склалася соціальна обстановка і т.д.
Для оцінки значущості існує безліч методів: наприклад, Н. Чи описує 24 методу. Найбільш простим і часто застосовуваним методом оцінки значущості є порівняння їх з універсальними стандартами. Стандарти можуть бути кількісними (наприклад, гранично допустимі концентрації забруднюючих речовин) або носити характер якісних норм (наприклад, обмеження на певні види господарської діяльності в межах особливо охороняється природного території або поблизу культурних пам'яток). Проте слід мати на увазі важливі обмеження застосовності стандартів для оцінки значущості:
· На багато видів впливу стандарти відсутні (наприклад, у момент написання цієї книги в Росії не існувало стандарту на концентрації або викиди діоксинів);
· Багато стандарти розроблені на основі приблизних даних (недостатньо перевірених, неточних або неповних) і, таким чином, їх область застосування обмежена;
· Стандарти засновані на уявленні про "пороговому впливі", в той час як багато видів впливу (наприклад, іонізуюче випромінювання) не мають порогового значення: не виключено, що їх вплив проявляється при скільки завгодно малих величинах;
· Стандарти не завжди годяться для обліку непрямих, кумулятивних впливів, синергетичної дії кількох чинників;
· Стандарти рідко застосовуються для обліку унікальних умов, характерних для конкретної ситуації.
Дуже близький до порівняння зі стандартами метод оцінки значущості, заснований на порівнянні величини впливу з усередненими значеннями даного параметра для аналізованої місцевості. Такий метод вносить в оцінку значущості елемент "контексту", обліку місцевої ситуації. До цього типу методів належить порівняння параметрів стану навколишнього середовища з фоновими значеннями. Порівняння величини впливів із стандартами або з характерними значеннями є "об'єктивним" методом оцінки значущості впливів (хоча стандарти, звичайно, можуть розглядатися як суб'єктивна величина).
2.2 Біологічні методи оцінки. Біотестування
Оцінка ступеня забруднення може бути проведена з використанням фізико-хімічних та біологічних методів. Біологічні методи оцінки - це характеристика стану екосистеми по рослинному і тваринному населенню.
Будь-яка екосистема, перебуваючи в рівновазі з факторами зовнішнього середовища, має складну систему рухомих біологічних зв'язків, які порушуються під впливом антропогенних факторів. Перш за все, вплив антропогенних чинників, і зокрема, забруднення відбивається на видовому складі угруповань та співвідношенні чисельності складають їх видів. Біологічний метод оцінки стану системи дозволяє вирішити завдання, вирішення яких за допомогою фізичних і хімічних методів неможливо. Рекогносцирувальний оцінка ступеня забруднення за складом біонтів дозволяє швидко встановити його санітарний стан, визначити ступінь і характер забруднення та шляхи його поширення в екосистемі, а також дати кількісну характеристику протікання процесів природного самоочищення.
Біотестування - використання у контрольованих умовах біологічних об'єктів (тест-об'єктів) для виявлення і оцінки дії факторів (у тому числі і токсичних) навколишнього середовища на організм, його окрему функцію або систему організмів.
Найбільш повно методи біотестування розроблені для гідробіонтів і дозволяє використовувати їх для оцінки токсичності забруднень природних вод, контролю токсичності стічних вод, експрес - аналізу в санітарно-гігієнічних цілях, для проведення хімічних аналізів в лабораторних цілях і вирішення цілої низки інших завдань.
У залежності від цілей і завдань токсикологічного біотестування як тест - об'єктів застосовуються різні організми: вищі і нижчі рослини, бактерії, водорості, водні та наземні безхребетні та інші.
Наприклад, при скиданні у водойму токсичних речовин, що містяться у промислових стічних водах, відбувається пригнічення і збіднення фітопланктону. При збагаченні водойм біогенними речовинами, що містяться, наприклад, в побутових стоках, значно підвищується продуктивність фітопланктону. При перевантаженні водойм біогенами виникає бурхливий розвиток планктонних водоростей, що офарблюють воду в зелений, синьо-зелений, золотистий, бурий або червоний кольори ("цвітіння" води). "Цвітіння" води настає за наявності сприятливих зовнішніх умов для розвитку одного, рідко двох-трьох видів. При розкладанні надлишкової біомаси, виділяється сірководень або інші токсичні речовини. Це може призводити до загибелі зооценозов водойми і робить воду непридатною для пиття. Багато планктонні водорості в процесі життєдіяльності нерідко виділяють токсичні речовини. Збільшення у водоймах вмісту біогенних речовин в результаті господарської діяльності людини, супроводжувані надмірним розвитком фітопланктону, називають антропогенним евтрофування водойм.
Підкреслюючи всю важливість біоіндикаційних методів дослідження, необхідно відзначити, що біоіндикація передбачає виявлення вже відбулося або відбувається забруднення навколишнього середовища за функціональними характеристиками особин та екологічними характеристиками спільнот організмів. Поступові ж зміни видового складу формуються в результаті тривалого отруєння водойми, і явними вони стають у нагоді в разі далекосяжних змін. Таким чином, видовий, видовий склад гідробіонтів із забруднюючих водоймища служить підсумкової характеристикою токсикологічних властивостей водного середовища за певний проміжок часу і не дає її оцінки на момент дослідження.
3. ЖИВІ біоіндикатори
Найкращий індикатор небезпечних забруднень - прибережне обростання, що розташовуються на поверхневих предметах у кромки води. У чистих водоймах ці обростання яскраво-зеленого кольору або мають бурий відтінок. Для забруднених водойм характерні білі пухкі освіти. При надлишку у воді органічних речовин і підвищення загальної мінералізації обростання набувають синьо-зелений колір, оскільки складаються в основному з синьо-зелених водоростей. При поганій з надлишками сірчистих сполук можуть супроводжуватися сиплеся нальотами нитчастих серобактерий - теотріксов.
Хороші результати дає аналіз бентосних (придонних) безхребетних. Оцінка чистоти водойм робиться за перевагою, або відсутності тих чи інших таксонів.
♦ Ностак сливовидної є гарним біоіндикатором. Наявність цього виду говорить про чисту воду. Перша ознака тривоги - подрібнення і порушення правильної округлої форми смарагдових "куль" цієї водорості.
♦ Бурхливий розвиток інших синьо-зелених водоростей, наприклад, осцилятор - хороший індикатор небезпечного забруднення води органічними сполуками.
♦ трубочник утворює величезні скупчення в мулу сильно забруднених річок, в незначних кількостях зустрічаються також на піщаних і кам'янистих грунтах більш чистих річок.
♦ Мотиль утворює великі скупчення в силу сильно забруднених органічною речовиною річок.
♦ Щурик (еріталіс) - це личинка мухи - пчеловідкі з сімейства журчалок. Щурик мешкає в забруднених органічною речовиною водоймах з чорним мулом і сильним запахом сірководню.
♦ Фітопланктон - найважливіший компонент водних систем, активно бере участь у формуванні якості води і є чуйним показником стану водних екосистем і водойми в цілому. Фітопланктон найбільш поширена і добре вивчена з усіх екологічних груп водоростей. Склад фітопланктону має велику видову насиченість. Аналіз видового складу, достатку і кількісного розвитку видів фітопланктону входять у всі програми екологічного моніторингу водойм. Вивчення фітопланктону водойм проводиться шляхом збору проб на встановлених станціях.
♦ Синьо-зелені водорості - прокаріотів організми, зустрічаються повсюдно і можуть мешкати в таких екстремальних біотопах, як гарячі джерела і кам'янисті пустелі. Деякі види синьо-зелених водоростей можуть викликати токсичну "цвітіння" в евтрофірованних метообітаніях, що представляють небезпеку для людини і домашньої худоби.
♦ Діатомові водорості - мікроскопічні організми, зустрічаються у всіх видах вод. Утворюють основну масу складу продуцентів у водоймі, вони є початком харчового ланцюга. Їх поїдають безхребетні тварини, деякі риби та молодь. Масовий розвиток деяких діатомових водоростей може мати і негативні наслідки (впливають на якість води, викликають загибель личинок риб, забиваючи їм зябра). Багато діатомеї можна використовувати як індикатори якості води водойми.
♦ Зелені водорості - один із самих великих відділів водоростей, у якому є всі відомі у водоростей структури, крім амебоідному і тканинної.
♦ евгленовие водорості - Поширені виключно в прісних водоймах, багаті органічними речовинами, в клітинах містить численні криваво-червоні гранули. Пі масовому розвитку ці види утворюють на поверхні води наліт: червоний - на сонячному світлі, зелений в тіні або після заходу сонця, деякі види викликають "цвітіння" води, фарбуючи її в коричневий колір.
♦ Золотисті водорості - переважно прісноводні водорості, найчастіше зустрічаються в чистих водоймах. Зазвичай вони розвиваються в холодну пору року.
♦ Кріптофітовие водорості - найбільш великі порядок кріптомонодальние включає водорості, поширені у прісних водах та морях. Серед безбарвних кріптомонадових найбільш відомий часто зустрічається в загниваючій воді рід Хіломонас.
♦ динофітові водорості - існують у прісних водах і в морях. Серед них існують паразити які знищують личинок устриць, є види виробляють отруту, смертельний для риб. Крім, того розкладаючись після свого масового розвитку, так званих "червоних припливів", вони можуть отруювати воду на багато кілометрів шкідливими продуктами розпаду, волаючи замор риби та інших водних тварин.
♦ Жовто-зелені водорості - більшість видів прісноводні, широко поширені в різних місцях проживання.
У такому напрямку, як дендроіндікація найбільш використовувані такі рослини:
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Дьяченко Г.І. Моніторинг навколишнього середовища (Екологічний моніторинг) Новосибірськ. - 2003.
2. Ашихміна Т.Я. та ін Біоіндикація та біотестування - методи пізнання екологічного стану навколишнього середовища. - Кіров, 2005.
3. http://www.ecosystema.ru
4. http://ecosoft.iatp.org.ua
5. http://www.wikipedia.ru
Введення
1. Теорія і сутність біоіндикації
2. Методи біоіндикації
2.1 Оцінка значущості впливів
2.2 Біологічні методи оцінки. Біотестування
3. Живі біоіндикатори
Список літератури
ВСТУП
Найбільш часто цитованої і, в той же час, найбільш ідеологічно розпливчатою областю екології є деяка сукупність методів, звана "біоіндикація". Хоча витоки спостережень за індикаторними властивостями біологічних об'єктів можна знайти в працях дослідників природи самої глибокої давнини, до цих пір відсутня струнка теорія і адекватні методи біоіндикації.
Основою завданням біоіндикації є розробка методів і критеріїв, які могли б адекватно відображати рівень антропогенних впливів з урахуванням комплексного характеру забруднення і діагностувати ранні порушення в найбільш чутливих компонентах біотичних угруповань. Біоіндикація, як і моніторинг, здійснюється на різних рівнях організації біосфери: макромолекули, клітини, органу, організму, популяції, біоценозу. Очевидно, що складність живої матерії і характеру її взаємодії із зовнішніми факторами зростає в міру підвищення рівня організації. У цьому процесі біоіндикація на нижчих рівнях організації повинна діалектично включатися в біоіндикація на більш високих рівнях, де вона постає в новій якості і може служити для пояснення динаміки більш високоорганізованої системи.
Вважається, що використання методу біоіндикації дозволяє вирішувати задачі екологічного моніторингу в тих випадках, коли сукупність факторів антропогенного тиску на біоценози важко або незручно вимірювати безпосередньо. На жаль, сучасна практика біоіндикації носить значною мірою феноменологічний характер, виражений в спільному викладі помічених дослідником фактів поведінки різних видів організмів у конкретних умовах середовища. Іноді ці описи супроводжуються не завжди обгрунтованими висновками, що носять, як правило, суто оціночний характер (типу "добре / погано", "чисто / брудно" і т.д.), заснованими на чисто візуальних методах порівняння або використання недостатньо достовірних індексів. Найчастіше такий "прогноз" робиться, коли "суспільне" думка по кінцевому результату оцінки якості екосистеми вже заздалегідь відомо, наприклад, за прямими або непрямих параметрах середовища. У результаті цього, роль біоіндикації виявилася зведеною до наступної сукупності дій, технологічно збігається з біомоніторингу:
· Виділяється один або декілька досліджуваних факторів середовища (за літературними даними або у зв'язку з наявною програмою моніторингових досліджень);
· Збираються польові та експериментальні дані, що характеризують біотичні процеси в розглянутій екосистемі, причому теоретично ці дані повинні вимірюватися в широкому діапазоні варіювання досліджуваного чинника (наприклад, в умовно-чистих і в умовно-брудних районах);
· Певним чином (шляхом простого візуального порівняння, з використанням системи попередньо розрахованих оціночних коефіцієнтів або із застосуванням математичних методів первинної обробки даних) робиться висновок про індикаторної значущості будь-якого виду або групи видів.
У рідкісних випадках робляться практичні спроби оцінити лімітуючий рівень розглянутого фактора забруднення, тобто виконати так званий "аналіз біологічно значимих навантажень". І тільки у виняткових випадках виконується власне операція "позначки", коли з використанням біоіндикаторні показників прогнозуються невідомі фактори середовища і оцінюється їх значущість для всієї екосистеми в найближчому і віддаленому майбутньому. Як нечисленних прикладів організації комплексних гідроекологічних біоіндикаційних досліджень, в результаті яких був сформульований деякий комплекс науково-обгрунтованих природоохоронних рішень, можна навести роботи з оцінки екологічного стану оз. Байкал, рік Неви і Чапаєвки.
1. ТЕОРІЯ І СУТНІСТЬ Біоіндикація
Значною мірою теоретична і практична неповнота робіт в області біоіндикації пов'язана з об'єктивними методологічними труднощами відображення і моделювання предметної області. Оцінка антропогенного впливу на біотичні компоненти екосистем багато в чому ускладнюється просторово-часової диференціацією видової структури, тому що ценопопуляції одного і того ж виду, що входять в різні співтовариства організмів, характеризуються різними екологічними умовами проживання та їх реакції на дію фактори можуть істотно відрізнятися. У видів зі слабко вираженими механізмами популяційного гомеостазу ці реакції завжди досить контрастно виражаються в зниженні фізіологічної стійкості частини особин до дії антропогенних факторів і, в кінцевому рахунку, в порушенні процесів репродукції. Однак для більшості видів реагування на будь-техногенний вплив (якщо, зрозуміло, воно не носить катастрофічний характер) принципово не відрізняється від вироблених в ході еволюції тривіальних реакцій на коливні зміни середовища. У процесі адаптації біоценозу до мінливих умов включаються компенсаційні механізми і, при помірних впливові, в популяціях виробляється деякий середній, генетично обумовлений рівень інтенсивності відтворення за рахунок "перерозподілу факторів смертності". І тільки в тому випадку, коли тиск антропогенних факторів виводить екосистему за рамки природної мінливості, відбувається порушення динамічної стабілізації популяційних зв'язків, змінюється генетичний склад і йде придушення найбільш генералізованого властивості популяцій - відтворювального процесу.
Необхідною умовою для виявлення якісних порушень біотичних процесів, що відбуваються в екосистемах під впливом антропогенних факторів, є знання діапазону природної мінливості біоценозів, тобто побудова простору стану популяцій. У зв'язку з цим виникає необхідність визначення тих параметрів, які дозволять із заданою подробицею і точністю оцінити стан біоценозу, вичленувати зміни, викликані дією антропогенних факторів, і отримати необхідну і достатню інформацію для прогнозу можливих змін стану екосистеми. Однак для отримання такого "динамічно достатнього опису" (термін Б. К. Павлова) необхідно знання "правил" внутрішнього перетворення популяцій в результаті дії будь-яких чинників. Але ми не можемо сформулювати ці "правила" до тих пір, поки не визначимо ряд необхідних і достатніх параметрів опису стану популяцій, досить чутливих, інформативних і володіють достатньою селективністю в рамках поставленої задачі.
Щодо благополучно справа йде з описовим поясненням термінів. Наприклад, згідно з визначенням Н.Ф. Реймерса:
"Біоіндикатор: група особин одного виду або співтовариство, за наявності, стану і поведінки яких судять про зміни в середовищі, в тому числі про присутність і концентрації забруднювачів ... Спільнота індикаторне - спільнота, за швидкістю розвитку, структуру та благополуччю окремих популяцій мікроорганізмів, грибів, рослин і тварин якого можна судити про загальний стан середовища, включаючи, її природні та штучні зміни ".
Безумовно, об'єктивні факти свідчать про існування тісної впливу факторів середовища на біотичні процеси екосистеми (щільність популяцій, динаміку видової структури, поведінкові особливості). Такі фактори середовища, як світло, температура, водний режим, біогенні елементи (макро-і мікроелементи), солоність і інші мають функціональну важливість для організмів на всіх основних етапах життєвого циклу. Однак можна використовувати зворотну закономірність і судити, наприклад, за видовим складом організмів про тип фізичного середовища. Тому "Біоіндикація - Це визначення біологічно значимих навантажень на основі реакцій на них живих організмів і їх спільнот. Повною мірою це стосується всіх видів антропогенних забруднень ".
Істотні методологічні труднощі біоіндикації виникають і при оцінці стану біоценозу по співвідношенню видів в конкретній екосистемі вибірковим методом. Якщо виходити з розуміння популяції, як сукупності особин, то інформація, яку ми отримали, не може бути екстрапольована за межі часового періоду або станції (полігону), на якому здійснено вибірка. Необхідно отримати інформацію про форму розподілу ймовірностей знаходження особин у тій чи іншій точці простору екосистеми. Виходячи із знайденого закону розподілу, можна розрахувати число необхідних проб, які забезпечують задану точність інтерполяції. Такий підхід можливий для оцінки стану популяцій на невеликих площах, наприклад, в невеликих замкнутих мілководних водоймах. Для великих водойм кількість вибірок обмежується часом, за які можна зробити проби в подібних умовах (наприклад, навіть протягом доби може відбутися перерозподіл планктонних особин у просторі). Проблеми, пов'язані з вивченням просторово-часової диференціації зоопланктону при проведенні моніторингових досліджень, показані, наприклад, на великому експериментальному матеріалі О.М. Кожовой і Б.К. Павловим [1986].
Таким чином, біоіндикація можна визначити як сукупність методів і критеріїв, призначених для пошуку інформативних компонентів екосистем, які могли б:
· Адекватно відображати рівень впливу середовища, включаючи комплексний характер забруднення з урахуванням явищ синергізму діючих факторів;
· Діагностувати ранні порушення в найбільш чутливих компонентах біотичних угруповань і оцінювати їх значущість для всієї екосистеми в найближчому і віддаленому майбутньому.
З точки зору математики поставлена задача біоіндикації в реальних умовах відноситься до класу погано формалізованих задач, оскільки характеризується наступними особливостями:
· Істотною багатомірністю факторів середовища і вимірюваних параметрів екосистем;
· Сильної взаємообумовленістю всього комплексу виміряних змінних, що не дозволяє виділити в чистому вигляді функціональний зв'язок двох індивідуальних показників F (x);
· Нестаціонарністю більшої частини інформації про об'єкти та середовищі;
· Трудомісткістю проведення всього комплексу вимірювань в єдиних координатах простору і часу, в результаті чого оброблювані дані мають великі пропуски.
У зв'язку з цим, знаходження адекватної зв'язку індикаторів і індикованих факторів є типовою операцією з "розмитими" множинами, а, отже, характеризується істотною невизначеністю (стохастичність).
У той же час, на цей момент склалися умови, що дозволяють подолати деяку математичну "ущербність" біоіндикації:
· Сформовані банки багаторічних даних за спостереженнями за природними екосистемами;
· Розроблено та апробовано ряд методів та математичних моделей інтегральної оцінки стану складних систем різного типу, що дозволяють, за термінологією А.П. Лєвіча і А.Т. Терьохіна, здійснювати "пошук детермінації і розпізнавання образів у багатовимірному просторі екологічних факторів для виділення кордонів між областями нормального і патологічного функціонування екосистем";
· Розвиваються апаратні і програмні інформаційні комп'ютерні технології, що дозволяють аналізувати необхідні масиви екологічних даних;
· Існує величезний обсяг неформальних знань висококваліфікованих фахівців, частково сконцентрований у методичних розробках.
Розглянемо в цьому зв'язку деякі спеціальні методи вирішення завдань біоіндикації.
2. Методи біоіндикації
2.1 Оцінка значущості впливів
Відповідно до природоохоронних законодавством Російської Федерації, оцінка якості навколишнього природного середовища проводиться з метою встановлення гранично допустимих норм впливу, які гарантують екологічну безпеку населення, збереження генофонду та забезпечують раціональне використання і відтворення природних ресурсів в умовах стійкого розвитку господарської діяльності [Федеральний закон .., 2002 , ст. 1, 3, 19, 63]. При цьому, під впливом взагалі розуміється антропогенна діяльність, пов'язана з реалізацією економічних, рекреаційних, культурних інтересів і вносить фізичні, хімічні, біологічні зміни в природне середовище.
Оцінка значущості впливів
Значимість впливу безпосередньо залежить від його виду чи природи (шумове, радіаційне, викиди певних речовин в повітря і т.д.), фізичної величини та ймовірності його виникнення [черпаючи та ін, 2000]. Поняття величини охоплює тут кілька чинників, таких як інтенсивність впливу (наприклад, підвищення величини показника БСК 5 в річці до 10 мг / л); тривалість впливу; масштаб розповсюдження впливу. При цьому масштаб розповсюдження впливу оцінюється як в термінах площі (наприклад, територія, на якій зафіксовано підвищення радіаційного рівня), так і в термінах чисельності біологічних об'єктів, наявності особливо охоронюваних територій і т.д., які зазнають впливу даного чинника. Додатковим аспектом, який найчастіше не враховується при оцінці значущості впливів, є його контекст. Впливу, однакові за величиною і ймовірності, можуть розглядатися як більш або менш важливі, впливати на рішення, більшою чи меншою мірою залежно від того, де саме вони мають місце, як вони сприймаються зацікавленими особами, яка склалася соціальна обстановка і т.д.
Для оцінки значущості існує безліч методів: наприклад, Н. Чи описує 24 методу. Найбільш простим і часто застосовуваним методом оцінки значущості є порівняння їх з універсальними стандартами. Стандарти можуть бути кількісними (наприклад, гранично допустимі концентрації забруднюючих речовин) або носити характер якісних норм (наприклад, обмеження на певні види господарської діяльності в межах особливо охороняється природного території або поблизу культурних пам'яток). Проте слід мати на увазі важливі обмеження застосовності стандартів для оцінки значущості:
· На багато видів впливу стандарти відсутні (наприклад, у момент написання цієї книги в Росії не існувало стандарту на концентрації або викиди діоксинів);
· Багато стандарти розроблені на основі приблизних даних (недостатньо перевірених, неточних або неповних) і, таким чином, їх область застосування обмежена;
· Стандарти засновані на уявленні про "пороговому впливі", в той час як багато видів впливу (наприклад, іонізуюче випромінювання) не мають порогового значення: не виключено, що їх вплив проявляється при скільки завгодно малих величинах;
· Стандарти не завжди годяться для обліку непрямих, кумулятивних впливів, синергетичної дії кількох чинників;
· Стандарти рідко застосовуються для обліку унікальних умов, характерних для конкретної ситуації.
Дуже близький до порівняння зі стандартами метод оцінки значущості, заснований на порівнянні величини впливу з усередненими значеннями даного параметра для аналізованої місцевості. Такий метод вносить в оцінку значущості елемент "контексту", обліку місцевої ситуації. До цього типу методів належить порівняння параметрів стану навколишнього середовища з фоновими значеннями. Порівняння величини впливів із стандартами або з характерними значеннями є "об'єктивним" методом оцінки значущості впливів (хоча стандарти, звичайно, можуть розглядатися як суб'єктивна величина).
2.2 Біологічні методи оцінки. Біотестування
Оцінка ступеня забруднення може бути проведена з використанням фізико-хімічних та біологічних методів. Біологічні методи оцінки - це характеристика стану екосистеми по рослинному і тваринному населенню.
Будь-яка екосистема, перебуваючи в рівновазі з факторами зовнішнього середовища, має складну систему рухомих біологічних зв'язків, які порушуються під впливом антропогенних факторів. Перш за все, вплив антропогенних чинників, і зокрема, забруднення відбивається на видовому складі угруповань та співвідношенні чисельності складають їх видів. Біологічний метод оцінки стану системи дозволяє вирішити завдання, вирішення яких за допомогою фізичних і хімічних методів неможливо. Рекогносцирувальний оцінка ступеня забруднення за складом біонтів дозволяє швидко встановити його санітарний стан, визначити ступінь і характер забруднення та шляхи його поширення в екосистемі, а також дати кількісну характеристику протікання процесів природного самоочищення.
Біотестування - використання у контрольованих умовах біологічних об'єктів (тест-об'єктів) для виявлення і оцінки дії факторів (у тому числі і токсичних) навколишнього середовища на організм, його окрему функцію або систему організмів.
Найбільш повно методи біотестування розроблені для гідробіонтів і дозволяє використовувати їх для оцінки токсичності забруднень природних вод, контролю токсичності стічних вод, експрес - аналізу в санітарно-гігієнічних цілях, для проведення хімічних аналізів в лабораторних цілях і вирішення цілої низки інших завдань.
У залежності від цілей і завдань токсикологічного біотестування як тест - об'єктів застосовуються різні організми: вищі і нижчі рослини, бактерії, водорості, водні та наземні безхребетні та інші.
Наприклад, при скиданні у водойму токсичних речовин, що містяться у промислових стічних водах, відбувається пригнічення і збіднення фітопланктону. При збагаченні водойм біогенними речовинами, що містяться, наприклад, в побутових стоках, значно підвищується продуктивність фітопланктону. При перевантаженні водойм біогенами виникає бурхливий розвиток планктонних водоростей, що офарблюють воду в зелений, синьо-зелений, золотистий, бурий або червоний кольори ("цвітіння" води). "Цвітіння" води настає за наявності сприятливих зовнішніх умов для розвитку одного, рідко двох-трьох видів. При розкладанні надлишкової біомаси, виділяється сірководень або інші токсичні речовини. Це може призводити до загибелі зооценозов водойми і робить воду непридатною для пиття. Багато планктонні водорості в процесі життєдіяльності нерідко виділяють токсичні речовини. Збільшення у водоймах вмісту біогенних речовин в результаті господарської діяльності людини, супроводжувані надмірним розвитком фітопланктону, називають антропогенним евтрофування водойм.
Підкреслюючи всю важливість біоіндикаційних методів дослідження, необхідно відзначити, що біоіндикація передбачає виявлення вже відбулося або відбувається забруднення навколишнього середовища за функціональними характеристиками особин та екологічними характеристиками спільнот організмів. Поступові ж зміни видового складу формуються в результаті тривалого отруєння водойми, і явними вони стають у нагоді в разі далекосяжних змін. Таким чином, видовий, видовий склад гідробіонтів із забруднюючих водоймища служить підсумкової характеристикою токсикологічних властивостей водного середовища за певний проміжок часу і не дає її оцінки на момент дослідження.
3. ЖИВІ біоіндикатори
Найкращий індикатор небезпечних забруднень - прибережне обростання, що розташовуються на поверхневих предметах у кромки води. У чистих водоймах ці обростання яскраво-зеленого кольору або мають бурий відтінок. Для забруднених водойм характерні білі пухкі освіти. При надлишку у воді органічних речовин і підвищення загальної мінералізації обростання набувають синьо-зелений колір, оскільки складаються в основному з синьо-зелених водоростей. При поганій з надлишками сірчистих сполук можуть супроводжуватися сиплеся нальотами нитчастих серобактерий - теотріксов.
Хороші результати дає аналіз бентосних (придонних) безхребетних. Оцінка чистоти водойм робиться за перевагою, або відсутності тих чи інших таксонів.
♦ Ностак сливовидної є гарним біоіндикатором. Наявність цього виду говорить про чисту воду. Перша ознака тривоги - подрібнення і порушення правильної округлої форми смарагдових "куль" цієї водорості.
♦ Бурхливий розвиток інших синьо-зелених водоростей, наприклад, осцилятор - хороший індикатор небезпечного забруднення води органічними сполуками.
♦ трубочник утворює величезні скупчення в мулу сильно забруднених річок, в незначних кількостях зустрічаються також на піщаних і кам'янистих грунтах більш чистих річок.
♦ Мотиль утворює великі скупчення в силу сильно забруднених органічною речовиною річок.
♦ Щурик (еріталіс) - це личинка мухи - пчеловідкі з сімейства журчалок. Щурик мешкає в забруднених органічною речовиною водоймах з чорним мулом і сильним запахом сірководню.
♦ Фітопланктон - найважливіший компонент водних систем, активно бере участь у формуванні якості води і є чуйним показником стану водних екосистем і водойми в цілому. Фітопланктон найбільш поширена і добре вивчена з усіх екологічних груп водоростей. Склад фітопланктону має велику видову насиченість. Аналіз видового складу, достатку і кількісного розвитку видів фітопланктону входять у всі програми екологічного моніторингу водойм. Вивчення фітопланктону водойм проводиться шляхом збору проб на встановлених станціях.
♦ Синьо-зелені водорості - прокаріотів організми, зустрічаються повсюдно і можуть мешкати в таких екстремальних біотопах, як гарячі джерела і кам'янисті пустелі. Деякі види синьо-зелених водоростей можуть викликати токсичну "цвітіння" в евтрофірованних метообітаніях, що представляють небезпеку для людини і домашньої худоби.
♦ Діатомові водорості - мікроскопічні організми, зустрічаються у всіх видах вод. Утворюють основну масу складу продуцентів у водоймі, вони є початком харчового ланцюга. Їх поїдають безхребетні тварини, деякі риби та молодь. Масовий розвиток деяких діатомових водоростей може мати і негативні наслідки (впливають на якість води, викликають загибель личинок риб, забиваючи їм зябра). Багато діатомеї можна використовувати як індикатори якості води водойми.
♦ Зелені водорості - один із самих великих відділів водоростей, у якому є всі відомі у водоростей структури, крім амебоідному і тканинної.
♦ евгленовие водорості - Поширені виключно в прісних водоймах, багаті органічними речовинами, в клітинах містить численні криваво-червоні гранули. Пі масовому розвитку ці види утворюють на поверхні води наліт: червоний - на сонячному світлі, зелений в тіні або після заходу сонця, деякі види викликають "цвітіння" води, фарбуючи її в коричневий колір.
♦ Золотисті водорості - переважно прісноводні водорості, найчастіше зустрічаються в чистих водоймах. Зазвичай вони розвиваються в холодну пору року.
♦ Кріптофітовие водорості - найбільш великі порядок кріптомонодальние включає водорості, поширені у прісних водах та морях. Серед безбарвних кріптомонадових найбільш відомий часто зустрічається в загниваючій воді рід Хіломонас.
♦ динофітові водорості - існують у прісних водах і в морях. Серед них існують паразити які знищують личинок устриць, є види виробляють отруту, смертельний для риб. Крім, того розкладаючись після свого масового розвитку, так званих "червоних припливів", вони можуть отруювати воду на багато кілометрів шкідливими продуктами розпаду, волаючи замор риби та інших водних тварин.
♦ Жовто-зелені водорості - більшість видів прісноводні, широко поширені в різних місцях проживання.
У такому напрямку, як дендроіндікація найбільш використовувані такі рослини:
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Дьяченко Г.І. Моніторинг навколишнього середовища (Екологічний моніторинг) Новосибірськ. - 2003.
2. Ашихміна Т.Я. та ін Біоіндикація та біотестування - методи пізнання екологічного стану навколишнього середовища. - Кіров, 2005.
3. http://www.ecosystema.ru
4. http://ecosoft.iatp.org.ua
5. http://www.wikipedia.ru