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

Специфическое воздействие подкисления почвы на растения объясняется во многих случаях не столько их непосредственной чувствительностью к снижению рН, сколько:

1. 
   дефицитом важных минеральных веществ в результате повышения их подвижности и вымывания (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺)
   
2. 
   токсичностью растворимых ионов Al³⁺, появляющихся при падении pH ниже 4, и косвенными последствиями их растворимости (связыванием фосфат -иона);
   

1. 
   опытами по выращиванию специально подобранных кислотоустойчивых или кислоточувствительных видов на субстратах с соответственным химическим загрязнением;
   
2. 
   оценкой изменений естественных фитоценозов по структурным параметрам вдоль градиента загрязнения.
   

1. 
   Изменение общей насыщенности основаниями;
   
2. 
   Накопление металлов
   

Для биоиндикации тяжелых металлов используются:

1) Опыты по изменению обмена веществ методом раннедиагностического тестирования по особенностям ферментов (пероксидаза, эстераза, фосфотаза) с одновременным учетом их активности и электрофорезным разделением на фракции.

2) Опыты по культивированию саженцев: используются следующие параметры: выживаемость, рост корней, некрозы.

3) Опыты по проверке предположения, насколько растения уже обладают устойчивостью к тяжелым металлам. Для этого используется сравнительное измерение роста корней и метод сравнительной протоплазматики.

Антропогенное загрязнение почвы раствором или твердыми солями щелочных или щелочноземельных металлов возникает в результате:

1. 
   недостаточной эффективности дренажных систем в орошаемых землях;
   
2. 
   деятельности соледобывающих предприятий;
   
3. 
   применения солей для различной очистки.
   

1.

1. 
   Тест-объекты и требования к ним.
   
2. 
   Экспресс-методы биотестирования
   

Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкую признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии.

Биотестирование как метод оценки токсичности водной среды используется:

1. 
   при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения,
   
2. 
   в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод,
   
3. 
   при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений,
   
4. 
   в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила,
   
5. 
   при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами,
   
6. 
   при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.
   

Тест-объекты, по определению Л.П.Брагинского - "датчики" сигнальной информации о токсичности среды и заменители сложных химических анализов, позволяющие оперативно констатировать факт токсичности (ядовитости, вредности) водной среды ("да" или "нет"), независимо от того, обусловлена ли она наличием одного точно определяемого аналитически вещества или целого комплекса аналитически не определяемых веществ, какой обычно представляют собой сточные воды. Тест-объекты с известной степенью приближения дают количественную оценку уровня токсичности загрязнения водной среды - сточных, сбросных, циркуляционных и природных вод.

Для биотестирования используются различные гидробионты - водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Наиболее популярные объекты - ювенальные формы (juvenile forms) планктонных ракообразных-фильтраторов Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis. Cемидневный тест на суточной молоди  цериодафнии Ceriodaphnia affinis позволяет  за более  короткий срок (7 сут), чем на Daphnia magna (21 сут) дать заключение о хронической токсичности воды.

Важное условие правильного проведения биотестирования - использование генетически однородных лабораторных культур, так как они проходят поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговоренных стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость результатов исследований, а также максимальную чувствительность в токсическим веществам.

Стандартные методики, регламентированные нормативными документами, определяют тест-объекты, которые  используются при  определении токсичности тех или иных сред. В Украине в качестве стандартных приняты тесты с ветвистоусыми и жаброногими ракообразными, водорослями, инфузориями, светящимися бактериями.

Токситы - новое поколение биотестов, разработанных в лаборатории экологической токсикологии и водной экологии (LETAE), Университет Гент, Бельгия  под руководством проф. G. Persoone. Токскиты предназначены для проведения исследований острой токсичности природных сред и содержат все  обходимые материалы для выполнения биотестирования  или экотоксикологических исследований (тест-организмы в анабиотическом состоянии, эфиппиумы дафний (resting eggs), покоящиеся яйца коловраток, яйца артемии, культуры водорослей). Toxkit® реализуются вместе со всеми необходимыми приспособлениями, посудой и средами культивирования.

Жизненная функция или критерий токсичности (toxicity criterion), используемые в биотестировании для характеристики отклика тест-объекта на повреждающее действие среды.

Тест-фукнкции, используемые в качестве показателей биотестирования для различных объектов:

1.для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб, насекомых - выживаемость (смертность) тест-организмов.

2.для ракообразных, рыб, моллюсков - плодовитость, появление аномальных отклонений в раннем эмбриональном развитии организма, степень синхронности дробления яйцеклеток.

3.для культур одноклеточных водорослей и инфузорий - гибель клеток, изменение (прирост или убыль) численности клеток в культуре, коэффициент деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры.

4.для растений - энергия прорастания семян, длина первичного корня и др.

Длительность биотестирования зависит от задачи, поставленной исследователем. Острые биотесты (acute tests), выполняемые на различных тест-объектах по показателям выживаемости, длятся от нескольких минут до 24-96 ч. Краткосрочные (short-term chronic tests) хронические тесты длятся в течение 7 суток и заканчиваются, как правило, после получения первого поколения тест-объектов. Хронические тесты (chronic tests) на общую плодовитость ракообразных, охватывающие 3 поколения, длятся до рождения молоди в F3.

Токсический эффект (toxic effect) - изменение любого показателя жизнедеятельности или функций организма под воздействием токсиканта. Зависит от особенностей яда, специфики метаболизма организма, факторов внешней среды (содержание кислорода, рН, температуры и др.).

Токсичность (toxicity) - cвойство химических веществ проявлять поверждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое дейтствие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм - токсикацией (на экосистему - токсификацией). По Н.С.Строганову, количественно токсичность вещества для отдельного организма определется как величина, обратная медианной летальной концентрации: Т = 1/LC50.

Токсичность водной среды (toxicity of water environment) - токсичность воды и донных отложений для гидробионтов, возникающая вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. При возникновении токсичности водной среды вода из среды, поддерживающей жизнь, становится средой, губительной для жизни. Степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, а также по превышению ПДК (предельно допустимых концентраций).

Острая токсичность выражается в гибели отравленного организма за короткие промежуток времени - от нескольких секунд до 48 ч. Хроническая токсичность среды проявляется через некоторое время в виде нарушений жизненных функций организмов и возникновения патологических состояний (токсикозов). У водных организмов хроническая токсичность выражается в гонадотропном и эмбриотропном действии токсиканта, что приводит к нарушению плодовитости (продуктивности), эмбриогенеза и постэмбрионального развития, возникновению уродств (мутаций) в потомстве, сокращению продолжительности жизни, появлению "карликовых" форм.

Интегральная токсичность (integral toxicity), по определению Л.П.Брагинского, токсичность сложных смесей, сточных вод, многокомпонентных факторов для водных организмов.

Количественно интегральная токсичность определяется как величина, обратная максимальному разведению (1:2, 1:5, 1:10, 1:50, 1:100 и т.д.), при котором не наблюдается каких-либо нарушений жизненно важных функций тест-организмов при 24-48 часовом биотестировании.

Выражается в баллах токсичности (БТи) целыми числами (2, 5, 10, 50, 100 и т.д.) соответственно величинам разведения.

Баллы токсичности могут быть четко ранжированы и позволяют выстраивать ряд исследуемых веществ или вод по снижению (повышению) уровня их токсичности.

Толерантность (tolerance) - выносливость (устойчивость) организма к повреждающим воздействиям.

Диапазон толерантности - пределы колебаний концентраций токсических веществ, при которых не происходит нарушений функций организма.

Толерантный лимит (tolerance limit, TLm) - количественное выражение концентрации токсиканта, при которой гибнет или выживает 50% тест-организмов за 48 ч опыта.

Токсикорезистентность (toxin resistance)- сопротивляемость живых организмов к воздействию токсических веществ.

Токсобность (toxobity) - способность водных организмов существовать в токсической среде, сорбируя или используя определенное количество токсического вещества.

Токсикометрия (toxicometry) совокупность приемов оценки токсичности веществ. Основними приемами токсикометрии являются установление минимально переносимой или пороговой (threshold concentration) концентрации (LC0), медианной летальной концентрации (LС50), или дозы (LD50), и зоны токсического действия (toxic effect limits) - диапазона токсических концентраций - от LC0 до абсолютно летальной (LC100).

Биомаркеры – это организмы и их характеристики, которые позволяют  диагностировать текущее состояние  окружающей среды. В качестве характеристик могут выступать физиологические, биохимические, иммунологические  и другие свойства (процессы) организмов.

Биотические индексы – это интегрированные показатели состояния условий среды, рассчитанные на основании балльной оценки различных биоиндикаторов.

Существуют количественные меры токсичности веществ для живых организмов. Это показатели острой токсичности NOEC, LC0, LC50, LC100, устанавливаемые для "чистого" вещества при его лабораторном исследовании. Показатели не имеет универсального значения и устанавливается для каждого тест-объекта индивидуально.

NOEC - no observed effect concentration - максимально недействующая концентрация вещества;

LC0 - минимальный порог чувствительности, при котором отмечаются специфические тест-реакции или смертность тест-объектов;

LC50 - cтандартная мера токсичности вещества, показывающая, какая концентрация вещества вызывает гибель 50% тест-организмов за установленное время (24, 48 или 96 ч)

LC100 - высший смертельный порог для всех животных или тест-культуры водорослей, использованных в опыте.

В случае несоблюдения основных требований содержания тест-объекты могут изменить чувствительность и в этом случае данные исследований будут носить только любительский характер. В соответствии с требованиями нормативных документов, исследования качества природных сред проводятся на базе аттестованных лабораторий, обладающих необходимым набором поверенных приборов, реактивов и квалифицированным персоналом.

Биотестирование, как правило, используют до химического анализа, т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить"горячие точки", указывающие на наиболее загрязненные учаскти акватории (территории, полигона). На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления.

На наиболее загрязненных акваториях (территориях) тест-объекты демонстрируют минимальную выживаемость (плодовитость) в тестируемых средах, на основании чего делается вывод об острой (хронической) токсичности тестируемой среды. Токсикометрические показатели, используемые в биотестиоровании, позволяют картировать загрязненные районы.

Как правило, биотестирование не дает ответа на вопрос о характере загрязняющего вещества, вызывавшего ту или иную реакцию тест-объекта. Тест-функции в биотестировании носят общий, неспецифический характер. Однако количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду, неуклонно возрастает и не исключено, что какое-либо вещество, или смесь веществ, может привести к возникновению специфических реакций у тест-объектов, особенно на клеточном или тканевом уровнях организации.

Присутствие в водоеме живых организмов еще не означает, что в нем способны выживать и другие виды организмов, или некоторые, особенно чувствительные их стадии развития. Иногда в водоемах наблюдают явление "цветения" одноклеточных водорослей, некоторые из которых выделяют токсические продукты жизнедеятельности - метаболиты, вызывающие гибель других видов водорослей, ракообразных, рыб.

Существует два методических подхода для определения токсичности почв. Для экспресс-диагностики используют водные экстракты, содержащих водорастворимые фракции почв. В этом случае биотестирование выполняют на традиционных для водной токсикологии тест-объектах - ракообразных, инфузориях, водорослях. При необходимости исследовать фитотоксические свойства почв в качестве тест-объектов используют семена культурных растений - овса, кресс-салата и др. В этом случает показателями токсичности служат энергия прорастания семян, морфометрические характеристики листа и др.

Результаты исследований токсичности сточных вод методами биотестирования используются при расчетах и корректировке предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами.

Пробы воды установленного объема должны быть отобраны в чистую посуду c этикетками и помещены в холодильник с температурой 4°С. Образцы донных отложений или грунтов должны буть упакованы в полиэтиленовые мешки для проб, снабжены этикетками и помещены в холодильник с температурой 0-4°С.

Исследования проводят как можно быстрее, не позднее, чем через 6 часов  после отбора проб. При невозможности соблюдения этих требований , пробы охлаждают до 4 Ос на месте отбора. В этом случае анализ проводят не позднее, чем через 48 часов после отбора.

При отсутствии  возможности  исследований в течение 48 часов, пробу можно  сохранять в замороженном состоянии 2 месяца.

Массовые виды организмов можно использовать для первичной оценки острой токсичности среды, а также для введения в лабораторную культуру необходимых для экспериментов животных. Однако необходимо помнить, что организмы, взятые в природных водоемах, генетически неоднородны, часто и обитают в загрязненных водоемах и адаптированы к различным загрязняющим веществам. Для корректного использования таких организмов в качестве тест-объектов для биотестирования следует, как минимум, провести их акклимацию в стандартных лабораторных условиях.

Оптимальным подходом можно считать более длительный и сложный, но оправданный путь - получения достаточного для экспериментов количества потомства во втором и последующих поколениях. У ветвистоусых ракообразных, например, потомство от одной партеногенетической самки может дать начало новой лабораторной культуре.

Из эндемиков или вселенцев растительного планктона или зоопланктона Каспийского моря для биотестирования можно использовать любые организмы для экотоксикологических исследований, однако распространенной ошибкой будет считать эти исследования биотестированием.

Для выполнения биотестирования используют только стандартные методы и применяют их только к лабораторным тест-организмам, полученным в аттестованных лабораториях или музейных коллекциях и культивируемым в стандартных условиях, оговоренных в методиках. Ясно, что собранные в природе организмы не отвечают этим условиям.

Существует практика введения в культуры тест-объектов, рекомендованных нормативными документами, из природных местообитаний. В этих случаях обязательными этапами являются акклимация организмов к стандартными лабораторным условиям и проведение их проверки на чувствительность к стандартному токсиканту. В случае, если культура удовлетворяет требованиям, предъявляемым к стандартным тест-объектам, ее можно содержать в музее культур и использовать для биотестирования.

В настоящее время рекомендованы универсальные тест-объекты, используемые как для биотестирования воды, так и для биотестирования донных осадков. При этом для биотестирования донных осадков готовят водные экстракты (вытяжки), а тестирование происходит в жидкой фазе.

В 1984 г. в США Д. Маунтом и Т. Норбергом разработан 7-и суточный тест на цериодафниях. Для использования в СССР тест был адаптирован  в  лаборатории  физиологии и токсикологии водных животных ИБВН РАН под руководством проф. Б.А.Флерова.

Гибель тест-объектов – это не единственный критерий токсичности. Существует достаточно много методов биотестирования, которые дают прекрасные результаты, но вытеснить выживаемость. а также плодовитость и качество потомства они не смогли. Показатель "выживаемость/смертность" , конечно, не самый чувствительный. Но с него обычно начинают оценку токсичности природных или морских вод. Более важным для водной экосистемы является критерий плодовитости и качества потомства. В биотестировании используется лабораторная культура партеногенетических  самок, которые каждые 8-14 день рождают молодь, которая отличается от взрослых самок только размерами. Это позволяет изучать влияние отдельных веществ в ряде поколений, что очень важно для прогнозирования последствий попадания в водную среду тех или иных токсикантов.

Этот же  подход  оценки характера движения тест-объектов  реализован в приборе "Биотестер", в который вставляются кюветы с инфузориями, обладающих отрицательным геотаксисом в норме (метод Пожарова, г. Санкт-Петербург). Луч прибора регистрирует количество организмов в верхней части кюветы именно благодаря движению инфузорий, так как оптически они практически прозрачны.

2 вопрос лекции.

В целом человечество синтезировало свыше 7 млн. химических веществ, 70 тыс. из которых применяются в повседневной жизни. По данным ВОЗ, вода сейчас содержит 13 тысяч потенциально токсичных веществ и каждый год добавляется от 500 до 1000 новых. Выявлено и нормировано же только около тысячи вредных веществ для водных объектов хозяйственно-бытового и культурно-бытового использования и около 700 веществ для рыбно-хозяйственных водоемов. При этом существующие методы анализа могут выявить ПДК лишь 10% общего количества нормированных веществ. К тому же, процессы эти сложны и длительны. Чтобы определить все показатели воды, нужно иметь соответствующее техническое оснащение, научный и технический потенциал, средства на приобретение реактивов. А это далеко не каждой лаборатории под силу. Стоимость анализа на определение содержания высокотоксичных соединений с низкими значениями ПДК может составлять сотни и тысячи долларов, причем такой анализ необходимо проводить в нескольких пунктах и с определенной периодичностью. Таким образом, проводить хороший анализ воды с каждым годом все сложнее.

Правда, на практике можно, конечное, проводить и экспресс-анализ воды на основе обобщенных показателей, таких как биохимическое или химическое потребление кислорода, содержание общего или растворимого органического углерода (для определения суммарного количества органических веществ, потребляющих кислород), содержание адсорбируемых или экстрагируемых органических галогенов (для выявления суммарного содержания галогеносодержащих органических соединений, представляющих серьезную опасность для окружающей среды), измерение уровня рН, мутности, цвета воды, органолептики и др. Внедрение обобщенных показателей в практику экспресс анализа существенно снижает число определяемых методами аналитической химии структурных компонентов, и в ряде случаев ограничивается лишь определением следов тяжелых металлов такими аппаратными методами, как атомно-абсорбционная или атомно-эмиссионная спектроскопия, о которых уже говорилось на нашем сайте.

Но даже если полный перечень вредных веществ и загрязнений определен, и количество каждого из них ниже ПДК, гарантировать высокое качество воды методом экспресс-анализа достаточно сложно. Связано это с групповым воздействием на организм содержащихся в воде веществ и химических элементов. Их взаимовлияние может настолько трансформировать воздействие на организм человека, что ПДК на отдельное вещество или химический элемент не будет отражать их истинную токсичность.

Все эти проблемы свидетельствуют о необходимости определять качество питьевой воды не только по структурному составу, но и по интегральной функциональной характеристике. Такой функциональный подход можно использовать как метод оперативного экспресс-анализа, что весьма существенно для системы экомониторинга. Существующая система обеспечения единства измерений физических параметров жидких сред на современной промышленной метрологически аттестованной аппаратуре разработана достаточно хорошо только для традиционных химических показателей. По бактериологическим показателям измерения проводятся стандартизированными “лабораторными” методами, характеризуемыми исключительной надежностью. Но эти методы анализа длительны и трудоемки (результаты можно получить только через 24-48 ч), их нельзя реализовать в системе автоматизированного контроля и трудно использовать в полевых условиях.

Из методов исследования интегральных характеристик среды наиболее доступно биотестирование. Биотестирование воды на токсичность проводят на совокупности водных организмов, позволяющей оценивать действие того или иного химического компонента на сложный биоценоз. В качестве оценочного критерия функционального качества воды могут быть выбраны выживаемость, скорость размножения, жизненная активность микроорганизмов. При проведения экспресс-анализа этим методом должны быть стандартизированы условия проведения опыта (температура среды, освещенность, кислотность, состав питательного раствора, количество живых организмов и т.д.).

При этом наиболее сложная задача мониторинга экспрессными методами – измерение бактериального и вирусного состава водной среды. Из современных инструментальных средств можно отметить лазерные системы проведения микробиологических исследований (лазерной, инфракрасной спектроскопии).

Многие вопросы аппаратного обеспечения гидромониторинга могут быть решены с помощью сенсоров – чувствительных элементов устройств экспресс-анализа, которые можно устанавливать непосредственно в местах загрязнения, а показания считывать дистанционно в автоматическом режиме работы аппаратуры. Для определения загрязнений природных и сточных вод наиболее распространены электромеханические преобразователи (амперометрические, потенциометрические, ионоселективные, на основе полевых транзисторов). Так, амперометрические сенсоры применяют для определения содержания в сточных водах СО2, аммиака, этанола, глутаминовой кислоты.

Биосенсоры просты в исполнении, доступны, обладают широкими возможностями распознавания индивидуальных компонентов, в том числе и различных бактериальных форм, при массовом производстве дешевы. Ферментативные реакции биохимической природы по своей скорости на 9-12 порядков превосходят аналогичные химические реакции. Их проведение не требует жестких агрессивных условий (высокой температуры, сильной щелочности или кислотности). Фермент в ходе реакции не расходуется, действуя лишь как высокоспецифичный катализатор, и может быть использован многократно и в малых количествах. Отличительная особенность ферментных сенсоров и иммуносенсоров – исключительная селективность при определении отдельных органических веществ, в том числе пестицидов.

На основе биосенсоров могут быть созданы многокомпонентные анализаторы, способные распознавать одновременно несколько биологических компонентов. С созданием многокомпонентных датчиков-анализаторов появляется возможность построения автоматизированной информационно-измерительной системы на базе низкоскоростной компьютерной сети.

Широкое применение сенсоры также могут найти в экспрессных тест-системах. Принцип их действия заключается в введении исследуемой пробы воды в систему, содержащую выявляемый фермент и его субстрат, с последующей регистрацией изменения оптических свойств тест-системы. Этот процесс в первую очередь – тест на наличие в пробах воды ингибирующих ферменты загрязняющих веществ антропогенного происхождения (органические вещества и тяжелые металлы, поступающие с выносом рек), а также на возникающую в таких условиях неблагоприятную ситуацию, способствующую развитию патогенной микрофлоры. Предназначены тест-системы для контроля функционального состояния и качества различных многокомпонентных природных сред (природных вод, донных отложений, взвесей и др.).

На сегодняшний день существуют следующие методы анализа воды, которые могут быть использованы для экспресс-анализа:

титрометрия
потенциометрия
спектрофотометрия
турбидиметрия
нефелометрия
кондуктометрия
атомно-абсорбционная спектрофотометрия

фотометрия и пламенная фотометрия

газовая хроматография

флюорометрия

При оценке экологического состояния окружающей среды огромную роль играет изучение почвенного покрова. Почва - это единственный компонент ландшафта, который возникает в результате взаимодействия всех других его компонентов: горных пород, климата, природных вод, растительности, микроорганизмов и животных. Являясь основной депонирующей средой, почвы сами могут рассматриваться как интегральный индикатор загрязнения природно-территориального комплекса (ПТК), дающий представление о качестве связанных с почвами жизнеобеспечивающих сред - атмосферного воздуха, природных вод и литогенной основы. Однако загрязненные почвы являются источниками вторичного загрязнения приземного слоя воздуха, поверхностных и грунтовых вод; из почв растения поглощают минеральные вещества, вовлекая их в биологический круговорот. Таким образом, почвенный покров определяет миграцию химических элементов по цепи питания, поэтому изучение его состояния представляет собой существенную часть работ по оценке влияния антропогенных факторов на природную среду.

В предыдущих лекциях были рассмотрены вопросы биоиндикации воздействия аэротехногенного загрязнения. С выбросами промышленных предприятий и транспорта в воздух попадают твердые частицы, осаждающиеся в дальнейшем на поверхности земли. Действие пыли и золы на ПТК многообразно и в результате происходит следующее:

1. Оседание на надземные органы растений и фолиарное поглощение, вовлечение доступных форм в биологический круговорот.

2. Изменение физических и химических характеристик почв:

—изменение механического состава,

—изменение общей насыщенности основаниями (сдвиги рН и т. д.),

—накопление токсичных веществ.

3. Водная миграция поллютантов и загрязнение природных вод.

4. Корневое поглощение растениями, поступление в биологический круговорот, миграция по цепи питания.

Среди наиболее распространенных загрязняющих веществ следует указать: биогенные компоненты (N, Р, К, Са и др.), макрокомпоненты (Fe, Al, Si, Na, Mg и др.), микрокомпоненты, в том числе ТМ (Си, Zn, Pb, Cd, Ni, Cr, Hg, As, Sb, Co, Mn, Ba Sr, Mo, V и др.).

Геохимическая оценка состояния окружающей среды составляет неотъемлемую часть экологических исследований, на базе которой осуществляется верификация реакций биоты на стрессовые воздействия и строится система методов биоиндикации. В качестве эталонов сравнения используется кларк содержания химических элементов в почвах и растениях континентов (Брукс, 1986; Добровольский, 1998; и др.). При работе в конкретных условиях одной из основных задач является выявление региональных фоновых содержаний химических элементов, так называемого регионального фона. Именно сравнение содержаний поллютантов в фоновых и антропогенно нарушенных местообитаниях позволяет дать качественнную и количественную оценку характера загрязнения.

Почва составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организмов. В зависимости от сочетания природных и антропогенных факторов почвы отличаются составом биоты и направленностью биохимических процессов. Различные показатели имеют тесную корреляционную связь между собой и могут использоваться как биоиндикаторы экологического состояния почвы. Это, прежде всего, показатели биологической активности почвы, в числе которых могут быть использованы характеристики численности и биомассы микроорганизмов, их продуктивность, интенсивность накопления продуктов метаболизма, газообмена и активность ферментов.

Изучение содержания химических элементов в незагрязненных почвах имеет большое практическое значение. Оно необходимо для контроля за состоянием окружающей среды, охраны ее от загрязнения. Так называемое фоновое количество химических элементов служит точкой отсчета при исследовании загрязнения почв, позволяет определить характер и степень их изменения.

Химический состав растений, получающих элементы минерального питания из почвенных растворов, является важным показателем процессов, происходящих в экосистеме. Он зависит, прежде всего, от содержания химических элементов в окружающей среде, степени их доступности растениям, а также от избирательного их поглощения в зависимости от систематической принадлежности видов. Поэтому одним из важных аспектов оценки состояния природной среды стало изучение состояния почвенного покрова и определение содержания в почвах загрязняющих веществ, в том числе ТМ, радионуклидов, НУ и т.д. Геохимическая оценка состояния окружающей среды составляет неотъемлемую часть экологических исследований, на базе которой осуществляется верификация реакций биоты на стрессовые воздействия и строится система методов биоиндикации.

2. Изменение кислотности почв

Одной из важных характеристик почв является их кислотность. Она определяется содержанием ионов Н+ и А1³⁺ в почвенных растворах. Кислотность почв выражают через величину рН -отрицательный логарифм концентрации ионов Н+ в почвенном растворе. Показатель рН может изменяться от 0 до 14, в природе диапазон его варьирования - от 2,5 до 12,5. В естественных условиях наиболее кислыми субстратами являются олиготрофные сфагновые торфяники и сильно-оподзоленные почвы. Сильнокислой реакцией обладают также латеритные коры выветривания -желтоземы и красноземы. Щелочная реакция почвенных растворов характерна для солодей, содержащих в почвенно-поглощающем комплексе Na. Нейтральная и близкая к ней реакция среды, наиболее оптимальная для развития большинства живых организмов, отмечается в черноземах и дерново-карбонатных почвах. Изменение величины рН почвенных растворов происходит при различных антропогенных воздействиях: сельскохозяйственном использовании земель, заболачивании территорий, выпадении кислотных дождей, аэротехногенных выпадениях и т. п.

В процессе развития живые организмы приспособились к обитанию в определенных кислотно-щелочных условиях. Для определения кислотности почв и изменения ее под влиянием природных и антропогенных факторов удобнее всего использовать индикакторные виды растений и особенности состава фитоценозов.

В экологии растений существует следующая классификация видов по отношению к рН окружающей среды:

ацидофилы - растения, произрастающие на кислых почвах;

базифлы — растения, произрастающие на щелочных почвах;

нейтрофилы — растения почв с нейтральной реакцией.

Приуроченность растений к почвам с определенным значением рН дает возможность использовать растительность в качестве индикатора кислотно-щелочных условий почвенных растворов. Индикаторная значимость видов дана при их массовом или обильном произрастании.

Биоиндикация процессов закисления, нейтрализации или подщелачивания почвенных растворов проводится с использованием фитоиндикаторов кислотности почв, а также изменения видового состава биоценоза и его динамики во времени.
Лекция № 9