Лекция №1 Теоретические основы биоиндикации План 1 История биоиндикации 2 Теоретические основы биоиндикации

1. Фитоидикационные методы экологического состояния природной среды.

2. Показатели состояния растительности как индикатора экологического состояния территории

3. Классификация фитоидикационных признаков

4. Методы биоидикации по структуре и строению растительных сообществ

5 Метод дендроиндикации

6. Метод бриоиндикации

7. Метод лихеноиндикации

8. Биоиндикационные показатели лихенондикации (показатель обилия-плотности, индекс чистоты атмосферы, индекс чистоты воздуха).

9. Методы биотестирования, их преимущества и достоинства.

10. Тест-объекты, стандартные и наиболее часто используемые в практике.

Лекция 6

Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха

План

1. Основные вещества – загрязнители атмосферного воздуха и их источники

2. Биоиндикация загрязнения атмосферы с помощью растений

3. Газоустойчивость и газочувствительность растений

4. Неспецифическая и специфическая индикация

5. Растения-индикаторы и растения-мониторы

6. Оценка реакции растений на загрязнение

7. Отбор и подготовка биологических материалов для биоиндикации
1 вопрос лекции. Основные вещества – загрязнители атмосферного воздуха и их источники

Воздух - материальная среда, которая окружает большинство живых организмов и определяет их существование. С одной стороны, воздух является источником воздушного питания биоты, из воздуха все живые организмы получают кислород, необходимый для процессов жизнедеятельности. С другой необходимо учитывать изменение условий местообитания, и прежде всего температурного и водного режимов, обусловленное передвижением воздуха. Поэтому воздух является важнейшим как прямо, так и косвенно действующим экологическим фактором. Движение воздуха влияет на особенности анатомо-морфологического строения и хода физиологических процессов в организмах. В обобщенном виде воздействие его, например, на растения можно представить следующим образом:

1) механическое воздействие: ветровалы, деформация роста (эксцентричный прирост, наклон стволов, флагообразная крона), снежная коррозия ;

2) влияние на ход физиологических процессов. Усиление ксероморфизации признаков;

3) анемофилия: приспособления, облегчающие перенос пыльцы ветром: раннее цветение,

особое устройство соцветий, форма и размеры пыльцы;

4) анемохория: развитие приспособлений для распространения семян с помощью ветра,форма и размеры плодов, увеличивающие парусность.

Одним из наиболее распространенных видов загрязнений природной среды являются выбросы в атмосферу токсичных газообразных соединений. Основными из них считаются: двуокись серы, окись углерода, фтористый водород, сероводород, окислы азота, хлористый водород и др.

Поступление их в атмосферу связано с деятельностью различных предприятий, сжиганием мусора и выбросами автотранспорта (таблица).

Таблица - Основные источники поступления токсичных газов в атмосферу. Загрязняющее вещество Источник загрязнения ПДК, мг/мл

В особых метеоусловиях образуются из выхлопных газов в нижних слоях воздуха

Экологические последствия загрязнения атмосферного воздуха обусловлены воздействием газообразных соединений, проникающих в организм, и выпадением кислотных осадков при соединении поллютантов с атмосферной влагой.

Озон (О3) - газообразное загрязняющее вещество, которое образуется вследствие сложной реакции между окислами азота с участием солнечного света. Озон попадает в растение через листву вследствие обычного газообмена между растением и окружающей средой. Наиболее чувствительны к действию озона молодые листья, но он поражает и старые листья растения. Общим признаком поражения растений озоном является пятнистость, которая указывает на его острое действие. Специфический признак острого действия озона на растение - появление точек, которые с течением времени сливаются и образовывают пятна на поверхности листа. Точки могут быть белыми, черными, красными или пурпурными. При низких концентрациях О3 листья приобретают красно-бурый или бронзовый цвет, что приводит к хлорозу, старению и опаданию листьев.

Двуокись серы (SO2) - бесцветный, с резким запахом газ, образующийся при сжигании серосодержащего горючего и обжиге сернистых руд. Небольшое количество (около 5%) двуокиси серы окисляется в атмосфере, превращаясь в серный ангидрид (SОз), который образует с атмосферной влагой серную кислоту. По разным расчетам, на долю двуокиси серы приходится от 60 до 70% кислотных осадков. Туман или влажный воздух, содержащий серную кислоту, воздействует на кожу и слизистую оболочку человека, животных, наносит значительные повреждения растительности.

S0₂, попадая на листву, окисляется до високотоксического соединения S0₃, а потом медленно превращается в сульфат S0₄, менее токсичный. При низких концентрациях S0₂ в воздухе S0₃ практически полностью окисляется до сульфату, и растения не страдают. При высокой концентрации S0₂ до S0₃ превращается быстрее, чем S0₃ до S0₄, вследствие чего происходит острое повреждение - листва у широколиственных растений обесцвечивается, между жилками (появляется бурый или белый цвет) или на краях некоторых листков наблюдается эффект «елки». Признаком хронического действия S0₂ являетя хлороз, или обесцвечивания листвы с изменением их цвета к красно-бурого; у хвойных хлороз - покраснение игл сверху вниз. Концентрация S02 свыше 0,4 мг/м3 даже при кратковременном воздействии может вызвать значительные нарушения в органах ассимиляции хвойных пород и некрозные изменения.

Достаточно хорошо изучены случаи повреждения растительности аммиаком, наблюдающиеся вблизи животноводческих ферм. Наиболее чувствительны к его воздействию хвойные породы, хвоя которых под действием аммиака принимает красно-бурую окраску и опадает.

Пропилен подавляет цветение у хризантем, замедляет вертикальный рост, но стимулирует появление листьев. Растения, пораженные пропиленом, имеют меньшие размеры, но более толстые листья.

Растительный покров как важная составная биосферы отображает ее общее состояние и ход почти всех процессов, которые происходят на планете. Жизнь на Земле было бы невозможна без беспрерывного процесса фотосинтеза, который происходит в зеленых частях растений, которые являются основным стабилизатором углекисло-кислородного баланса воздушного бассейна. Растения как важный компонент биогеоценоза заметно влияют на другие его элементы, оказывают содействие формированию почвенного покрова, влияют на химизм почвы и ее плодородие, а также на жизнь всех животных и живых организмов, одновременно реагируя на все внешние факторы.

Хорошими индикаторами загрязнения воздушной среды являются растения, поскольку они в большей степени поражаются загрязненным воздухом и сильнее реагируют на те концентрации большинства вредных примесей, которые у людей и животных не оставляют видимых явлений отравления. Действие газовых поллютантов на растения зависит от вида вредных веществ, концентрации загрязняющих веществ, длительности воздействия, относительной восприимчивости видов растений к действию газов и стадии физиологического развития, в которой находится растение в момент воздействия вредных веществ.

Токсичные газы проникают в мезофилл листа главным образом через устьица. Попадая в подустичную полость и диффундируя через межклеточные пространства, они растворяются в межфибриллярной воде клеточной стенки, образуя соединения, разрушающие наружную клеточную мембрану. Повреждения мембран проявляются в их повышенной проницаемости, в изменении рН и редокс-потенциала. Изменение свойств биомембран может приводить к трансформации ферментативного обмена, сдвигам в содержании неорганических ионов и низкомолекулярных веществ.

Первые нарушения в анатомическом строении прослеживаются в строении хлоропластов.

На ранних стадиях повреждений наблюдаются округление хлоропластов, редукция гранов, разрушение оболочки хлоропластов, раздувание тилакоидной системы. В дальнейшем отмечаются разрушение цитоплазмы и сжимание клетки. Кроме того, в хлоропластах возможны появление липидоподобных капель, изменения очертаний клеточных органелл, растяжение оболочек хлоропластов, раздувание и закручивание тилакоидов. Выделяют три стадии повреждений хвои ели и сосны: повреждаются только хлоропласты, повреждаются и другие органеллы, органеллы исчезают или превращаются в бесструктурную массу.

Интенсивность воздействия кислотных осадков зависит от смачиваемости поверхности растений. Смачиваемость, в свою очередь, определяется рельефом кутикулы, наличием кроющих волосков, тургором листа, характером поверхности и морфологии эпикутикулярного воска. Степень повреждения фитомассы изменяется в зависимости от видовой принадлежности. Так, кутикула листьев тополя Populus sp., сосны Pinus sylvestris не разрушается от воздействия SО_2. Некоторые виды увеличивают восковой налет при загрязнении воздуха: плевел Lolium perenne, горох Pisum sativum, рапс Bras-sica тара характеризуются увеличением числа мелких пластинок и трубочек воска на единицу поверхности. У фасоли Phaseolus vulgaris, наоборот, происходит уменьшение количества эпикутикулярного воска. При воздействии кислотных осадков наблюдается разрушение воскового налета у сосны обыкновенной. В нормальных условиях естественное разрушение воскового покрова хвои наступает на 4-5-й год, при воздействии кислотных осадков этот процесс проходит в 2-5 раз быстрее, поэтому вокруг устьиц восковой налет отсутствует даже на хвое 1-2-летнего возраста. Поскольку процесс разрушения воскового покрова необратим, это приводит к резкому снижению жизненности хвои.

3. Газоустойчивость и газочувствительность растений

При биоиндикационных исследованиях и анализе реакции организма на воздействие загрязнения воздуха следует различать газоустойчивость и газочувствителъностъ растений.

Выделяют следующие формы газоустойчивости:

1. Анатомическая. К приспособлениям, снижающим воздействие токсичных газов, относятся: ксероформные признаки - утолщение эпидермиса, развитие кутикулы, воскового налета, опушения, плотное сложение тканей, наличие пробкового слоя при слабом развитии паренхимы.

2. Физиологическая. Включает изменения в фотосинтезе, дыхании, работе устьиц и изменение интенсивности транспирации, снижение интенсивности газообмена.

3. Биохимическая. Объединяет те особенности метаболизма, которые затрудняют или исключают повреждаемость ферментных систем, белкового и других обменов. Буферность цитоплазмы по отношению к подкисляющему действию сернистого газа, бесхлорофильность тканей.

4. Габитуалъная. Включает особенности строения кроны, ветвления и высоты, надземных частей, уменьшающих контакт листьев и цветков с токсичными газами. Образование стланниковых и подушкообразных форм, пирамидальных крон деревьев.

5. Феноритмическая. Смещение и изменения в ходе фенологических фаз, преждевременное пожелтение и опадение листвы.

6. Анабиотическая. Представляет крайний случай физиологической газоустойчивости. К числу признаков этой формы относятся резкое сокращение газообмена и значительные анатомические изменения у зимующих видов деревьев и кустарников.

7. Регенерационная. Способность повторного облиствления и отрастания надземной фитомассы.

8. Популяционная. Включает изменения возрастного состава, модификации особей, полиморфизм.

9. Фитоценотическая. Объединяет признаки растительных сообществ, снижающие токсичное воздействие газов: структура ярусов, густота насаждений, особенности горизонтального и вертикального строения фитоценозов.

Сила реакции организмов на действие поллютантов зависит от особенностей внешней среды, биологических и систематических особенностей самих организмов, их фенологического состояния, возраста и т. д.

Освещенность, температура, влажность и минеральное питание оказывают существенное влияние на чувствительность растений к загрязняющим газам. Решающим образом влияют на газочувствительность влажность воздуха и освещенность. При высокой влажности воздуха и почвы растения становятся более чувствительными к токсическому воздействию. В условиях затенения и в ночные часы повреждаемость листьев резко снижается, что связано, прежде всего, с интенсивностью освещения и температурой воздуха. Установлено, что устойчивость растений к воздействию SO₂ может возрастать в ночные часы в 4 раза. Дневное похолодание может вызвать значительное снижение токсичности газов. Затенение также способно полностью снимать губительное воздействие газообразных токсикантов. Летом и весной растения менее устойчивы, чем осенью и зимой.

Однако зимняя оттепель способна резко снижать устойчивость древесных пород.

1) аэродинамического - особенностей структуры кроны, расположения ветвей и листьев, наличия опушения надземной массы и др.;

2) кутикулярного - развития мощных покровных тканей, препятствующих проникновению поллютантов;

3) устьичного - подвядания листьев, снижающего повреждаемость тканей;

4) внутреннего - плотной структуры тканей, биохимической устойчивости к загрязняющему веществу.

Снижению газочувствительности способствует ксероморфная структура - плотное сложение тканей, образование мощных покровных тканей, развитие кутикулы, воскового налета и т.д.

Световые листья менее чувствительны к воздействию воздушных токсикантов, чем теневые.

Большое значение при определении газоустойчивости имеет возраст листьев и особей. В жизни растений выделяется несколько критических периодов, когда они наиболее чувствительны к воздействию токсикантов: появление всходов, зимовка однолетних сеянцев, раскрывание почек, распускание цветков, созревание плодов.

Большое значение при определении чувствительности видов имеет неоднородность популяции. У растений возможны быстрая адаптация и формирование структуры, устойчивой к поллютантам.

В биоиндикационных исследованиях необходимо учитывать систематическую принадлежность видов и изменение степени их газоустойчивости. По степени уменьшения устойчивости к смеси нефтяных газов и SO₂ располагают виды в следующий ряд: тополь бальзамический Populus balsamifera - липа мелколиственная Tilia cordata - желтая акация Сагадапа arborescens - береза пушистая Betula pubescens - ясень Fraxinus excelsior - клен Acer campestre. При воздействии SO₂ особую устойчивость имеют: чубушник венечный Philadelphus coronarius,роза морщинистая Rosa rugosa, дерен белый Swida alba. Низкой устойчивостью характеризуются: лиственница сибирская Larix sibirica, пихта сибирская Abies sibirica, кизильник блестящий Cotoneaster lucidus.

Учитывая особенности газочувствительности и газоустойчивости растений, в качестве биоиндикационных признаков можно использовать различные специфические и неспецифические признаки.

Неспецифическая индикация аэротехногенного загрязнения может проводиться по различным биохимическим и физиологическим реакциям. Основными индикаторными признаками, отражающими стрессовую нагрузку, являются:

1. Изменение активности ферментов.

2.Разрушение пигментов в листьях растений под действием аэротехногенного загрязнения. Хорошо изучено снижение количества хлорофилла, прежде всего хлорофилла а. В качестве индикатора используется изменение соотношения хлорофилл а/хлорофилл b.

3.Изменение количества и соотношения каротиноидов. При воздействии SО2 увеличивается содержание лютеина и уменьшается количество р-каротина.

4.Преждевременное появление гормонов старения - этилена и абсцизовой кислоты.

5.Изменение минерального обмена. Индикаторными признаками являются изменение содержания жирных кислот, увеличение содержания сахарозы и глюкозы.

К числу наиболее показательных признаков специфической индикации относится изменение химического состава биомассы и накопление поллютантов. Наблюдается зависимость содержания поллютантов от возраста листьев.

I группа видов отличается максимальным содержанием поллютантов в молодых листьях (май) - липа мелколиственная Tilia cordata, клен платановидный Acer platanoides, лох узколистный Elaeagnus angustifolia, сирень обыкновенная Syringa vulgaris.

II группа видов характеризуется преимущественной аккумуляцией в зрелых листьях (июль) - конский каштан Aesculus hippocastanum, тополь канадский Populus canadensis, чубушник венечный Philadelphus coronarius, бирючина обыкновенная Ligustrum vulgare, жимолость татарская Lonicera tatarica, дерен белый Swida alba, пузырештодник калинолистный Physocarpus opulifolia.

В результате поражения надземной массы хлорозом и некрозом происходит преждевременное опадение листвы - дефолиация.

Биоиндикационным признаком служат изменение размеров клеток тканей, смоляных ходов, листьев, трансформация размеров стеблей и в целом организмов. Так, при воздействии S0₂ наблюдается укорачивание, изменение толщины хвои сосны и др. Отмечена достоверная корреляционна связь снижения радиального прироста сосны Pinus sylvestris с объемом выбросов. В то же время длина хвои в меньшей степени зависит от аэротехногенного загрязнения, основными факторами ее варьирования являются положение ветвей в кроне, возраст и порядок ветвления побега, сомкнутость древостоя.

Нарушение процессов жизнедеятельности под влиянием токсичных газов может приводить к изменению строения тканей, отдельных органов и в целом формы роста растений.

Крайним случаем проявления воздействия токсикантов является образование уродливых форм -тератов. Часто происходит деформация листовых пластинок древесных пород и кустарников -возникают уродливые перетягивания, вздутия или искривления листовых пластин, изменяется форма слоевища лишайников. У насекомых могут возникать изменения структуры поверхности тела. Индикаторами загрязнения воздуха является смертность пчелы медоносной, клещей-орибатидов. Некоторые симптомы изменения параметров развития биоиндикаторов указаны в таблице.

Таблица - Организмы-мониторы вредных веществ в воздухе

Интегральным признаком токсического воздействия является снижение биопродуктивности и запасов биомассы. При оценке ее изменения на этом уровне могут быть использованы величины радиального и линейного прироста древесных пород, изменение суммарной длины листовых пластинок у розеточных форм травянистых видов. Возможен учет наземной и подземной биомассы растительности с определенной единицы площади или биомассы особей исследуемого индикаторного вида. Хорошим индикатором загрязнения атмосферного воздуха является снижение проективного покрытия или полное исчезновение эпифитных лишайников. Общее проективное покрытие лишайников в зоне воздействия промышленных выбросов уменьшалось по сравнению с фоновым: на расстоянии 30 км от источника выбросов - в 4 раза; в 15 км - оно составляло 1/100 от фонового, а на расстоянии 3 км лишайники, обнаруженные на фоновой территории вообще отсутствовали.

В качестве индикатора может быть использовано изменение плодовитости организмов. При загрязнении воздуха происходит уменьшение образования плодовых тел у лишайников, увеличение количества стерильных цветков в соцветиях растений, изменение биопродуктивности ягодников (черники, брусники, клюквы). Отмечается уменьшение числа яиц в кладках птиц, изменяется репродуктнвиость насекомых, земноводных и других групп животных.

Некоторые сорта садовой фасоли Phaseolus vulgaris очень чувствительны к воздействию О₃. Под действием поллютанта на более старых листьях появляется ожог и/или зернистость с последующим хлорозом и опадением листьев.

В качестве биоиндикаторов загрязнения О₃ рекомендуется использовать также некоторые сорта винограда лабруска Vitis labrusca. Повреждение оценивается по площади листовой поверхности, на которой появляются маленькие пурпурно-черные точки. Со временем эти точки сливаются, образуя пятна. В конечном итоге листья становятся хлорозными, буреют и могут отмереть. Толерантность листьев зависит от их возраста: чем старее лист, тем более он чувствителен к воздействию О₃.

В качестве индикатора повышенного содержания в воздухе О3 можно использовать Веймутову сосну Pinus strobus. Показателем загрязнения служат повреждение игл или побегов и изменение вторичного радиального прироста ствола. Хлороз кончиков игл, их крапчатость, потеря и задержка роста - характерные признаки воздействия Оз; высокие концентрации поллютанта вызывают сильный ожог кончиков хвои и появление бурой окраски. При невысоком загрязнении воздуха поражается молодая развивающаяся ткань хвои, сопровождающаяся развитием на кончиках самых молодых чувствительных игл хлоротической пятнистости, распространяющейся на более старые иглы. В дальнейшем начинается опадание хвои, так что сильно поврежденные деревья могут потерять всю зрелую хвою, сохранив лишь пучки незрелых хвоинок на концах веток.

Смесь О₃ и SО₃ индицирует появление низкорослых деревьев с угнетенными верхушками и корнями, короткими скрученными пятнистыми иглами и преждевременной дефолиацией. Такое изменение роста получило название синдрома хлоротической карликовости. Воздействие SО₂ может вызвать изменение цвета концов игл на красный, а затем буровато-серый, могут появиться отдельные желтые пятна - мозаичность хвои. Неоднократное окуривание SО₂ ослабляет деревья и приводит к их отмиранию. Обычно воздействие его в условиях гумидного климата усугубляется также выпадением кислотных дождей. Повреждение точек роста зачастую приводит в появлению морфологических эндемий. К индикаторам загрязнения воздуха SО2 относятся сосна Веймутова Pinus strobus, сосна обыкновенная Pinus sylvestris, тополь осинообразный Populus tremuloides.

Большинство древесных пород устойчивы к воздействию ПАН. При оценке загрязнения атмосферного воздуха ПАН наибольшей индикаторной значимостью отличаются салат посевной Lactuca sativa, свекла Beta chilensis, мятлик однолетний Роа аппиа. Листья этих растений чувствительны к ПАН, но устойчивы к воздействию О₃. Первым признаком их повреждения является водянистость или глянцевитость нижней поверхности листа. При продолжении воздействия клетки губчатого мезофилла, расположенные вблизи устьиц, сжимаются и замещаются воздушными полостями, придавая нижней поверхности поврежденного листа серебристую окраску. Через два-три дня серебристый цвет может смениться на бронзовый. Другим индикатором воздействия ПАН служит «фасциация» - полосчатое расположение поврежденных тканей. Она появляется сначала на верхушках молодых листьев, затем при повторном воздействии реакция повторяется, так что на листе образуется вторая серия полос, отделенная от первой здоровой тканью. После нескольких воздействий лист поражается полностью.

Токсичность окислов азота определяется главным образом их способностью к кислотообразованию. Появление признаков повреждения при 24-часовом окуривании на листьях чувствительных растений отмечается при концентрации NO₂ около 1,0 млн-1. Исследование 60 видов растений при воздействии на них смесью 1:1 NO и NO₂ с концентрацией 6 млн в течение 4-8 часов показало, что к наиболее чувствительным видам относятся горчица Sinapis arvensis, горох Pisum sativum, кустовая фасоль Phaseolus vulgans и люцерна Medicago sativa. Однако эффективных индикаторов, обладающих специфической реакцией, для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха обнаружено не было.

Загрязнение воздуха выхлопными газами индицируется с помощью кресс-салата. При использовании этого тест-объекта определяются всхожесть и прирост зародышевых корешков 50 семян, размещенных на территории исследований в чашках Петри. Продолжительность исследований составляет 10 дней.

При постоянном воздействии токсичных газов происходит отбор наиболее устойчивых экземпляров и формирование на данной территории специфических популяций видов. Выявить их проще всего с помощью морфометрических исследований. Так, в районе Арнольдштайна в Германии отмечен низкорослый экотип полевицы Agrostis stohnifera с плотно сомкнутыми метелками, ограничивающими воздействие SО2 (Kutschera-Mitter et al., 1982). В местах вулканической деятельности формирются природные устойчивые популяции растений, отличающиеся повышенной толерантностью к токсичным газам. Исследования показывают, что японская лиственница устойчивее к воздействию SО₂, чем европейская.

На флористическом, фаунистическом, биоритмическом и поведенческом уровнях наиболее показательными биоиндикационными признаками являются изменение годового состава и отбор устойчивых экотипов. В таежных биогеоценозах при воздействии токсичных газов наблюдается смена сосновых и еловых лесов на березовые. За счет разреженности крон, осветления лесов снижается количество сциофитов кислицы обыкновенной Oxalis acetosella, седмичника европейского Trientalis europ, щитовника игольчатого Dryopteris spinulosa, голокучника Gymnocarpium dryoptt, Thelipteris phaegopteris и др., увеличивается доля гелиофитов земляники лесной Fragaria vesca, золотарника Solidago virgaurea и др.

В качестве биоиндикаторов загрязнения атмосферного воздуха широко используются лишайники. Наиболее чувствительной частью организма лишайника к действию SО₂ является симбиотическая водоросль. Установлено, что даже кратковременное действие сернистого газа в концентрации 0,5 мг/м³ губительно для лишайников, а 0,1 мг/м³ повреждает большинство видов. В зоне лишайниковой пустыни среднегодовая концентрация SО₂ обычно превышает 0,3 мг/м³. В таких условиях может встречаться лишь лишайник Lecar conizaeoides, обладающий самой высокой устойчивостью. При средней концентрации сернистого газа в воздухе 0,05-0,2 мг/м3 могут существовать виды лишайников родов Xanthoria, Hypogymnia, Parmelia, Physcia, Lecanora. Произрастание лишайников из родов Ramalina, Usnea, Alectoria, Evernia возможно при среднегодовом содержании SО₂ менее 0,05 мг/м³, a Lobaria pulmonaria способна произрастать только в чистом воздухе. На эпифитных лишайниках четко прослеживается так называемый, городской эффект - уменьшение количества видов от периферии к центру города или с приближением к источникам загрязнения.

Уменьшение видового разнообразия с 68 видов в лесопарках на окраине г. Санкт- Петербурга до 1-2 видов в центральной части города. На примере Подмосковья показаны значительные изменения видового состава эпифитных лишайников под действием аэротехногенного загрязнения за период с 1966 по 1987 г. Общее количество видов за это время практически не изменилось и составило соответственно 28 видов в 1966 г. и 27 - в 1987 г. Однако общих таксонов, зафиксированных участке в оба срока, оказалось только 14, а коэффициент общности составил лишь 34%. К 1987 г. исчезли 14 видов, в то же время появилось 13 видов, не отмечавшихся ранее.

При хроническом загрязнении воздуха происходят изменения в составе, структуре и строении фито- и зооценозов. При сильном загрязнении отмечаются деградация лесных сообществ и замена их на разреженные группировки вейника Calamagro arundinaceae. В районах Уральских медеплавильных заводов, выбрасывающих в атмосферу SО₂, вырубки остаются безлесными, отсутствует возобновление лесов из-за гибели всходов. Происходит смыв почвенного покрова, образуются каменистые склоны с фрагментами горной степи или разреженные группировки вейника лесного Calamagrostis arundinaceae, пырея ползучего Elytrigia repens, покров из травянистого яруса лиственничников.

Вблизи источников выброса фтора отмечено формирование мертвопокровных лесов. Наиболее устойчивой древесной породой является береза. Сосна сильно страдает при воздействии фтористых соединений, ее продуктивность и обилие снижаются, воспроизводимость сокращается.

Сосновые леса уступают место березовым. В связи с высокой устойчивостью в березовых лесах сохраняется сравнительно богатая фауна беспозвоночных. Основу составляют питающиеся березой насекомые и хищники, связанные с березой по звеньям пищевой цепи. Видовое разнообразие амфибий сокращается до 2 видов по сравнению с 6 видами на контроле. Численность мелких млекопитающих в зоне до 10 км от источника загрязнения фтором на порядок меньше, чем на контроле.

Перспективной группой по выявлению воздействия фтора являются муравьи. При хроническом загрязнении воздуха увеличивается количество покинутых муравейников. Муравьи переходят на подземный образ жизни, формируют жилища в россыпях камней. Лучшими биоиндикаторами фтористых выбросов являются пауки. Снижение разнообразия и численности пауков в местах выбросов фтора служит первым сигналом о неблагополучии лесного биогеоценоза.

Неблагоприятное воздействие фтора проявляется в угнетении почвенной микрофлоры, падении биологической активности почв, снижении азотфиксации и плодородия.

Изменения видового состава фито-, зоо- и микробоценозов приводят к изменениям всего биогеоценоза. Происходят нарушения в системе трофических связей. Через поедаемые растения, содержащие фтор, первыми страдают филлофаги, уменьшаются их численность, видовое разнообразие (пилильщики, тли, цикады, клопы и др.) Но на их развитие действуют два взаимосвязанных и противоположно направленных фактора: благоприятный (ослабление кормового растения) и неблагоприятный (токсичное действие газов). Поэтому вблизи источника загрязнения численность вредителей низка из-за токсичности газов. По мере удаления от источника загрязнения на ослабленных деревьях отмечается массовое распространение филлофагов, которое постепенно сокращается в связи с восстановлением сопротивляемости древесных пород. Многие исследователи подчеркивают, что численность вредителей может рассматриваться как биоиндикационный признак только в сочетании с другими характеристиками загрязнения, поскольку возможны локальные преобразования в сообществах беспозвоночных. Так, причиной массового развития тлей могут явиться муравьи, уничтожающие грызущих хищников тлей на стадии личинок.

В зависимости от особенностей реакции на влияние поллютантов растения разделяют на растения-индикаторы и растения-мониторы.

Растение-индикатор - растение, у которого признаки повреждения проявляются при влиянии фитотоксичной концентрации загрязняющих веществ или их смеси.

Растение-индикатор служит химическим сенсором, который может обнаружить в воздухе присутствие загрязняющего вещества, но наблюдения за ним не дают возможности получитьколичественные данные.

Индикаторами могут быть такие растения, которые аккумулируют в тканях загрязняющее вещество или продукты метаболизма, образованные вследствие взаимодействия растения с внешними факторами: тяжелыми металлами (свинец и кадмий), газообразными веществами, такими как фтористый водород (НF) или сульфат (SО₄). Вследствие их действия у растений могут изменяться параметры развития: скорость и качество роста и созревания, цветения, образования плодов и семян, процессов размножения; снижаться продуктивность и урожайность. Каждый параметр в отдельности или их комплекс можно использовать, чтобы определить наличие загрязняющих веществ в воздухе и (с помощью проведения опытов) в контролируемых условиях для того, чтобы сопоставить признаки повреждения или изменения в состоянии растения с наличием определенного загрязняющего вещества или их смеси. Такие исследования удостоверили, например, что табак очень чувствительный к действию озона и реагирует характерными повреждениями. Также выявлено, что количество завязи и урожайность помидор значительно уменьшаются при хроническом влиянии на это растение озона в низких концентрациях. У соевых бобов за действия определенных доз SО₂ появляются нежелательные признаки, изменяются скорость роста и урожайность.

Лишайники и мхи известны как накопительские загрязняющих веществ, преимущественно тяжелих металлов, которые эти растения могут аккумулировать в количествах, которые значительное превышают их концентрацию в окружающей среде.

Итак, появление у растений типичного признака повреждения указывает на наличие в воздухе загрязняющего вещества или их смеси.

Учитывая важность количественной оценки, в особенности информативными являются организмы, которые определенным образом реагируют именно на количество поллютанта в окружающей среде, то есть растения-мониторы.

Растение-монитор - растение, по признакам повреждения которого можно получить информацию о количестве загрязняющих веществ или их смеси в окружающей среде.

Конечно, с этой целью используют разнообразные приборы. Однако приборы стоят очень дорого, для их работы необходимы калибровка, наблюдения за функцонированием. Иногда они весьма чувствительны и непригодны для работы в условиях сурового климата. В отличие от них растения дешевые, легко восстанавливаются, быстро размножаются и по-разному реагируют на влияние, давая возможность выбрать одну или несколько самых характерных реакций для определенного исследования. Можно также использовать короткоживущие (травянистые) растения, которые обновляются каждый сезон или несколько раз на протяжении одного вегетационного периода, или древесные растения (деревья, кустарники), которые можно высадить на нужных участках и использовать как индикаторы на протяжении длительного периода.

Для того чтобы индикатор стал монитором, то есть мог информировать о качественных и количественных характеристиках поллютанта, необходимо определить и использовать зависимости между реакцией растений на загрязнение и концентрацией этого вещества в окружающей среде. Для этого используют три основных способа:

—сопоставления степени повреждения, вызванного загрязняющим веществом, с известной концентрацией загрязняющего вещества в окружающей среде;

—использования растения как живого коллектора (накопителя загрязняющих веществ);

—измерения количества загрязняющего вещества или метаболитов (новообразовавшихся веществ), которые появились в растительных тканях после действия поллютанта, и сопоставления полученных значений с концентрацией загрязняющего вещества в воздухе.

Поскольку вследствие присущей растениям изменчивости виды и сорта растений поразному реагируют на влияние отрицательных факторов, следует отбирать те растения, реакция которых предвиденна. Такими являются мхи, папоротника, голо- и покрытосеменные, которые используют как биоиндикатори и (или) биомониторы.

2. Оценка реакции растений на загрязнение.

В полевых условиях необходим тщательный отбор растений для установления зависимости «доза - реакция». Если растение реагирует на влияние повреждением листьев, изменением темпов роста, урожайности, следует экспериментально выяснить, как она реагирует на разные дозы одного и того же вещества или смеси.

Повреждения листьев можно анализировать с помощью серии фотоснимков методом прямых сравнений снимков пораженных листьев с контрольными снимками листвы растений, которые испытали влияние известных концентраций загрязняющих веществ в лабораторных условиях.

Деление исследуемого участка с большим количеством растений на квадраты дает возможность выразить количественно данные о повреждение листвы, выяснив количество их повреждений; степень повреждения; численность повреждений на единицу поверхности. С помощью линейных графиков можно отобразить зависимости повреждения листва от периода действия дозы загрязняющего вещества. Эти кривые можно сравнить с кривыми «доза - реакция», полученными в лабораторных условиях. Таким образом можно определить качественный состав воздуха на протяжении определенного периода и установить вид загрязняющего вещества или состав смеси.

Определенный метод количественной оценки избирают в зависимости от растительного материала, загрязняющего вещества и измеренных параметров. Степень повреждения травянистых растений выясняют визуально, определяя площадь (в процентах) поврежденной поверхности листвы. В случае наблюдения за хвойными растениями оценивают длину игл, их цвет и форму, возраст хвои, количество поврежденных игл на ветви (в процентах).

Результаты наблюдений можно объединить в две группы: площадь поврежденной листовой поверхности (в процентах); площадь новых повреждений каждого растения за определенный период времени.

Если уровень загрязнения определяется по объему поглощения загрязняющего вещества, выясняют количество загрязняющего вещества или количество метаболитов, вызванных поллютантом.

Растения-коллекторы можно успешно использовал ты для мониторинга трудных металлов.

Например, лишайники способны поглощать такие трудные металлы, как цинк, свинец, кадмий, никель, медь и магний. Метали не только накапливаются в письме лишайников, а и поглощаются их телом и аккумулируются в тканях. Высушив, взвесив и осуществив химический анализ ткани собранных растений, можно определить количество поглощенного металла. Изменяя промежутки времени между сборами растений, можно сопоставить содержимое металла в их тканях с концентрацией металла в воздухе.

Лишайники можно использовать для контроля содержимого SО₂ в окружающей среде. Способность к аккумуляции SО₂ зависит от вида этих растений. Объединения методов инструментального мониторинга со наблюдениями за лишайниками даст возможность установить зависимость между их ростом и концентрацией SО₂ в окружающей среде. Скорость роста и цвет лишайника указывают на присутствие или отсутствие SО₂ и его приблизительную концентрацию в воздушных массах. Этот метод используют при мониторинге SО2 в Англии, Ирландии, Канаде, Франции, Швеции и США.

Получение достоверных, полных и точных данных с помощью биоиндикации возможно лишь в случае точного соблюдения ряда требований. Так, при выборе растения для использования его в роли биомонитора необходимо придерживаться таких условий:

—наличие у растения выраженной реакции на влияние загрязняющего вещества, то есть заметных признаков повреждения, изменений скорости роста, морфологических изменений, нарушений цветения, изменений производительности или урожайности;

—отбор растений, непритязательных к условиям выращивания и ухода;

—отбор растений, которые мало поддаются влиянию вредителей и болезней.

Получение усредненных образцов материалов растительного происхождения (сформированных с 5-6 разовых проб) является сложной задачей, которая требует правильного выбора места, способа и времени. Растительные образцы следует собирать на достаточно большом расстоянии от зданий, дорог и источников загрязняющих веществ. Исследуемый участок условно разделяют на несколько квадратов, из каждого равномерно отбирают растительный материал (листва, стебли,корни) в необходимом количестве. Пробу растений (целые или отдельные части) собирают в первой половине дня при сухой погоде. На ранних стадиях развития (2-3 листа) в ней может быть не меньше 10 растений с одного гектара; для гречки, гороха, зерновых – 25; у высокорослых растений берут нижние, хорошо развитые листки (не меньше 50 растений). Проба должна быть репрезентативной, то есть обеспечивать соответствие ее химического состава химическому составу анализируемого материала (например, количество растительного материала цветов - 300 г, измельченной листвы и травы - 200 г, травы – 400-600 г, коры и корней – 600-650 г). Параллельно с отбором проб проводят биологический учет отобранных растений (высота растений, количество побегов на одной растении, фазы развития).

Анализы растительных образцов проводят сразу, или сохраняют их в холодильнике. Предназначенный для анализа растительный материал перед все очищують от песка, земли и других механических примесей. После этого листки, плоды и семена обязательно просушивают к воздушно-сухому состоянию (кроме случаев, когда необходимо сделать анализ растительного образца в сыром виде), пробу гомогенізують (измельчают). Сырые растительные материалы измельчают в миксере или другому гомогенизаторе, используя чистую стеклянную посуду и сделанное из нержавеющий стали дробильное оснащение. Интенсивной вентиляции образца при гомогенизации надо избегать, так как это может привести к потерям некоторых компонентов, в особенности тех, которые легко окисляются.

Сухие и высушенные продукты (зерно, семена) измельчают специальными мельничками, иногда просеивают ситом с определенными размерами отверстий, чтобы получить нужную зернистость. Образцы биологического происхождения перед анализом, зазвичай, минерализуют сухим сжиганием органического вещества за свободного доступа воздуха, в результате чего остаются минеральные элементы преимущественно в виде оксидов металлов) или влажным (озоления органического вещества растворами кислот, вследствие чего получается раствор с минеральными веществами) методами. Чтобы при сухой минерализации (озоленні) не утратить летающие компоненты, растительный образец нагревают к температуре не выше 450°С. Поскольку при этом в большинстве случаев не удается полностью избавиться органических компонентов, к золе прибавляют концентрированную азотную кислоту и выпаривают насухо. Для лишения от остатков углерода используют метод выпаривания с соляной кислотой на песчаной бане. Элементы минерального остатка определяют с помощью определенных химических реакций.

В некоторых случаях применяют метод минерализации образца влажным способом с помощью таких веществ, как азотная кислота, азотная кислота и соляная кислота с добавкой перекиси водорода, серная кислота и соляная кислота. В исследуемую пробу доливают смеси кислот, оставляют на определенный период к обвуглення растительной массе. После этого раствор подогревают на слабом огне 5-7 мин. к образованию однородной коричнево-бурой массы, температуру озолення повышают и продолжают его. Полное озолення длится 15-20 мин. После его окончания раствор охлаждают, разбавляют дистиллированной водой и определяют нужные элементы, применяя характерные для того или другого элемента химические реакции.
В качестве примера рассмотрим деградацию 2-го по величине, после Байкала, озера Балхаш, площадью S=16400 км².

Это озеро среди Барханов является одним из древнейших озер мира. В бассейне озера Балхаш, на относительно небольшой территории разместились все 5 климатических поясов, начиная от ледников Таниртау и заканчивая жаркими пустынями Прибалхашья. Здесь происходят интенсивные процессы круговорота веществ: в горной области идет конденсация влаги, накопление ее в ледниках и формирование подземного и поверхностного стока многочисленных рек, во впадине озера происходит испарение, аккумуляция и переработка загрязнений, солей и наносов, смываемых со всей площади бассейна.

Экологическое равновесие природы Прибалхашья нарушено. «Озеро больное» - этот диагноз выносился уже не раз, в том числе в 1989 году, когда в Балхаше побывали участники Международного форума «За спасение озер мира». Наблюдение за озером велись в рамках первой экологической программы, проведенной казахстанским космонавтом Т.Аубакировым. Проблемы Балхаша обсуждались правительством, в 1997 году было принято специальное постановление о необходимости разработать на Балхашском горно-металлургическом комбинате природоохранную систему.

В Балхаш впадают реки Или, Каратал, Аксу, Моинты , Лепсы. Из них только Или дает около 70% всего водного стока озера. Однако , начиная с 1987 года площадь акватории уменьшилась почти на треть, или на 21,5%. Но озеро, как и любой живой организм, способно к саморегуляции. Летом 2000 года уровень воды превысил 341 мм, несколько увеличилась площадь водного зеркала. Это, по мнению ученых, является благоприятным признаком для восстановления природного баланса.

С одной стороны, происходит интенсивное загрязнение озера выбросами Балхашского горно-обогатительного комбината, с другой – прогрессирует интенсивная деградация пойменных и прибрежных земель. Деградация земель вызвана, во-первых, застройкой прибрежных земель животноводческими фермами и выращиванием сельскохозяйственных культур. Фермы загрязняют берега озера органическими отходами, а поля обрабатываются удобрениями и пестицидами против вредителей, которые в процессе круговорота веществ попадают в воды озера. Во-вторых, в 50-х годах в озеро были интродуцированы судак, жерех, сом, которые являются активными хищниками. Хуже того, несмотря на бурный рост судака, его в течение 5 лет запрещали ловить. Судак уничтожил не только мелкие виды сорных рыб, такие как прибрежный окунь и губач, но и запасы ценных промысловых рыб (балхашская маринка и окунь, сазан и некоторые виды осетровых). Более того, судак оказался в массовом порядке заражен болезнями кожи онкологического характера.

Серьезный ущерб нанесен и флоре и фауне: балхашский тигр остался лишь в литературных воспоминаниях, исчезли кабаны. Редеют птичьи стаи, хотя раньше на озере водились лебеди, розовые пеликаны, гуси. Разбойничий промысел ондатры снизил ее поголовье с 102 млн. до 50 тыс. из 87 видов редких и исчезающих животных Казахстана, занесенных в Красную Книгу, 47 приходится на Прибалхашье.

Редеет и зеленый пояс вокруг озера: сократились площади тростника – естественного очистителя воды, камыша – места обитания многих видов птиц и зверей, приходит в упадок туранговая роща, перестал действовать некогда известный питомник по выращиванию деревьев и кустарников, Балхашское опытное поле.

Средняя продолжительность жизни балхашцев сократилась до 50 лет. Вместе с увеличением детской смертности отмечается рост аномалий у новорожденных. За последние 10 лет в городе Балхаш родилось две пары «сиамских близнецов», что является большой редкостью о всем мире. Прогрессирует болезнь Дауна, онкологические заболевания, туберкулез.

Таким образом, увеличивающаяся антропогенная нагрузка на природные воды приводит к постепенной деградации их биоценозов с последующими неблагоприятными медико-гигиеническими последствиями для человека.

Балхаш может повторить сценарий Аральской катастрофы. Исчезновение такого большого водного зеркала и замена его на песчано-солевую пустыню самым неблагоприятным образом скажется на экологической обстановке. Экологи предсказывают усиленное таяние высокогорных родников за счет увеличения концентрации пыли в атмосфере, осушение воздуха и вследствие этого более континентальный характер климата, что приведет к снижению продуктивной влаги в почве в вегетативный период развития растений и образованию обширнейшей области опустынивания.