Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной индикации

8. Модель оценочной шкалы при использовании метода комплексной индикации

Индикаторные возможности растений издавна используются в решении прикладных задач. С увеличением антропогенной нагрузки на экосистемы расширяется область применения фитоиндикационного метода. Растительный покров чутко реагирует на изменение природных факторов окружающей среды и антропогенное влияние. Широко используются различные параметры развития живых организмов от молекулярного до ландшафтного уровня. Изучаются биохимические, физиологические, анатомо-морфологические изменения, популяционные и видовые особенности растений, флористический состав и структура сообществ, границы и пространственное распределение фитоценозов. Наиболее существенными на клеточно-организменном уровне являются изменение проницаемости мембран, активности ферментов, разрушение белка, нарушение фотосинтетической деятельности, минерального, липидного и углеводного обменов и др.

Предложены показатели состояния растительного покрова для выявления чрезвычайной экологической ситуации, экологического бедствия или относительно удовлетворительной обстановки (таблица).

Таблица - Состояние растительности как индикатора экологического состояния территории

Существуют различные классификации биоиндикационных показателей, на основании их обобщения принята следующая иерархическая система признаков (таблица).

К числу наиболее распространенных методов оценки состояния окружающей среды по различным параметрам индикаторных видов, а также по структуре и строению растительных сообществ относятся:

— анализ химического состава растений для оценки взаимосвязи химического состава живой и неживой природы, трансформации химических элементов по звеньям пищевой цепи и др.;

—морфологический метод - изучение внешнего облика растений и его изменений под действием внешних факторов;

— флористический метод - исследование особенностей видового состава, индикаторных видов, характера распространения и динамики ареала, популяционный анализ и др.;

— спектрофотометрический - исследование спектрального отклика растений и растительности на загрязнение окружающей среды;

— фитоценотический - состоящий из ряда методик изучения состава, вертикальной и горизонтальной структуры и строения растительных сообществ: анализ видового разнообразия,

обилия и проективного покрытия показательных групп видов, анализ продуктивности, анализ жизненного состояния ярусов и др.;

— лихеноиндикация — изучение и анализ лишайникового покрова растительных сообществ;

— бриоиндикационный метод - изучение и анализ мохового покрова;

—дендроиндикация - изучение и анализ древесной растительности.

Дендроиндикация

Ведущая роль в биоиндикации состояния окружающей среды принадлежит древесным растениям. Они способны поглощать и нейтрализовать часть атмосферных поллютантов, задерживать пылевые частицы, а также индицировать особенности загрязнения посредством разнообразия ответных реакций. Реакция древесных пород на загрязнение окружающей среды существенно различается. Установлено, что, чем больше рекреационное воздействие или техногенная нагрузка на лесные экосистемы, тем разнообразнее моховой покров. Для чистых территорий характерны 4-5 видов мхов.

Существует бриоиндикационная методика Е. Н. Андреевой (1990), основанная на индикационных возможностях бриоценоморф. Под бриоценоморфой понимается экологически связанный между собой комплекс видов мхов, образующих систему, в которой целостные множества особей выступают как пространственно-ценотическая единица мохового покрова. При выделении бриоценоморф на первое место выступают внутренние связи, которые возникают между особями (одного или разных видов) (в результате их совместного роста, что и определяет внешний вид дерновинки. Характерным признаком незагрязненных таежных лесов является развитие бриоценоморфы Pleurozium schreberi + Hylocomium splendens. Например c2Н, нарушения, вызванные рекреационной нагрузкой, фиксируются структурными изменениями в моховом ярусе: он не образует сплошного покрова, сильно разрежен и отличается увеличением видового состава бриоценоморф при сокращении занимаемых площадей. Е. Н. Андреевой был сделан вывод, что при изменении

условий природной среды происходит приспособление к новым условиям не отдельных видов, а бриоценоморф, которые фиксируют степень повреждения мохового покрова, но не указывают на причины, его вызывающие.

Биологические реакции на антропогенное воздействие отчетливо прослеживаются при исследовании лишайников. Практическое значение этой группы организмов определяется высокой чувствительностью к изменению химического состава атмосферного воздуха. Они отвечают основным требованиям, предъявляемым к индикаторным видам. Прежде всего, лишайники распространены по всей поверхности суши, хотя и неравномерно. Они играют доминирующую роль во многих экосистемах полярных и жарких пустынь, высокогорий. Напочвенные и эпифитные лишайники являются важным компонентом лесных сообществ. Они часто образуют большую биомассу и играют существенную роль в круговороте веществ в биогеоценозах.

Отсутствие кутикулярного слоя обеспечивает свободное поглощение воды и химических соединений в организм лишайника практически всей поверхностью. Среди лишайников имеются чувствительные виды, исчезающие уже при небольшом загрязнении. В то же время есть виды со средней и относительно высокой устойчивостью к загрязнению. Устойчивые к антропогенным воздействиям лишайники накапливают в своих слоевищах различные химические элементы, что указывает на загрязнение среды этими элементами. По сравнению с высшими растениями лишайники концентрируют в 5 раз больше Fe, в 2-3 раза больше Pb, Cd, Hg и других химических соединений.

Кроме того, лишайники являются достаточно хорошо изученным таксоном низших растений, хотя многие из них трудны для определения в полевых условиях. Лишайники издавна используются в мониториговых исследованиях экологического состояния городов и антропогенно нарушенных территорий. Определены основные факторы, определяющие зависимость развития лишайникового покрова от условий местообитания. К ним относятся: расположение на стволе, угол наклона, высота над землей и экспозиция; возраст дерева (так как по мере его роста происходит увеличение поверхности ствола и времени для заселения его лишайниками) и условия увлажнения. Чаще всего метод лихеноиндикации применяется для оценки уровня аэротехногенного загрязнения. Под воздействием поллютантов у лишайников отмечается ряд изменений на разных уровнях.

На биохимическом и физиологическом уровне происходит торможение фотосинтеза, подавление интенсивности дыхания, уменьшение жизнеспособности диаспор лишайника и др.

У лишайников практически отсутствуют механизмы регуляции процессов обмена с окружающей средой, так что они беспрепятственно поглощают различные химические вещества из атмосферного воздуха. Специфичным при этом является накопление поллютантов в организме, указывающее на качественный состав загрязнений и интенсивность антропогенной нагрузки. Их содержание в талломе зависит от времени воздействия, от концентрации поллютантов в атмосферном воздухе, от удаленности от источника эмиссии, от степени увлажненности таллома и т. д.

Разработана шкала жизненности лишайников, основанная на оценке степени развитости слоевища и способности к репродуктивным процессам:

fl - фертильное, пышно развитое слоевище;

f2 - фертильное, нормально (средне) развитое слоевище;

f3 - фертильное, недоразвитое слоевище;

s4 - стерильное, пышно развитое слоевище;

s5 - стерильное, нормально развитое слоевище;

s6 - стерильное, недоразвитое слоевище.

Простым и часто используемым параметром, применяемым для оценки чистоты атмосферного воздуха, является проективное покрытие индикаторных видов. Загрязнение воздуха приводит к снижению проективного покрытия и в конечном счете к образованию так называемой лишайниковой пустыни.

Используются такие показатели, как:

- показатель обилия-плотности - в соответствии с предложенной методикой пробная площадь разбивается на квадраты, на которых по 5-балльной шкале определяются обилие и плотность лишайников. Для каждого вида рассчитывается показатель обилия-плотности:

N

L D

LD j j

видовj

å( )10

где L - число относительного обилия, D - относительная плотность, N - число квадратов.

—индекс чистоты атмосферы , вычисляемый по формуле

( )

1 å

где п - число видов на участке, f - частота встречаемости или проективное покрытие вида, Q

Величины встречаемости и проективного покрытия выражаются в соответствии с 5-балльной шкалой:

5 - виды с очень высокой частотой встречаемости и высокой степенью проективного покрытия на большинстве деревьев;

4 - виды с высокой частотой встречаемости и высокой степенью проективного покрытия;

3 - виды, встречающиеся не часто или имеющие среднюю степень проективного покрытия;

2 - виды, встречающиеся очень редко и имеющие низкую степень проективного покрытия;

0 - виды очень редкие с очень низкой степенью проективного покрытия.

—индекс чистоты воздуха:

ИЧВ = п + 0, 1(P1 + Р2) + Н1, + Н2 + D1 + D2,

где п - - число видов лишайников на пробной площади, Р - процент заселения хвойных (1) и лиственных (2) пород, Н - высота заселения деревьев (см), D - плотность заселения коры деревьев (баллы от 0 до 10). Была разработана шкала зависимости величины значений индекса от величины среднегодовой концентрации загрязнений в воздухе.

В целом можно сделать следующие выводы о лихеноиндикационном методе оценки аэротехногенного загрязнения.

• Лишайники являются хорошими индикаторами загрязнения атмосферного воздуха, отвечающими основным требованиям к биоиндикаторам.

• Использование метода требует хорошей изученности экологии лишайников, так как при оценке уровня загрязнения необходимо учитывать видоспецифические требования к местообитанию и индивидуальные особенности видов лишайников.

• При оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха необходим строгий учет всех факторов воздействия, а не только антропогенных. Такие природные факторы, как освещенность, степень увлажнения таллома, экспозиция лишайников на стволе, господствующие ветры, играют важную роль в жизнедеятельности лишайников и во многом определяют их чувствительность к поллютантам.

• Применение метода лихеноиндикации несколько ограничено в крупных городах, где часто присутствуют зоны «лишайниковой пустыни» (зоны с полным отсутствием лишайников).

2 Методы биотестирования

Биотестированием называется метод определения степени токсического воздействия физических, химических и биологических факторов среды, потенциально опасных для живых организмов данной экосистемы. Биотестирование осуществляется экспериментально в лабораторных или в естественных условиях путем регистрации изменения биологически значимых показателей исследуемых природных или природно-техногенных объектов с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранными критериями токсичности.

Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, дрожжи, простейшие, водоросли,пиявки, моллюски, рыбы и т.д. Кроме того, наравне с целостными организмами в качестве тест-объектов выступают отдельные органы, ткани или клетки. Биотест ставится на определение общей токсичности, на мутагенность и канцерогенность. В первом случае фиксируются показате-ли гибели организмов, морфологические нарушения, морфофункциональные изменения и отклонения в их поведении и двигательной активности. Изучение мутагенности и канцерогенности проводится посредством кратковременных тестов по фиксации хромосомных повреждений,генных мутаций и повреждений ДНК с оценкой опасности вещества.Воздействие на тест-объект может осуществляться посредством имитации возможных путей поступления вредного вещества в организм. Основными тестируемыми средами являются

вода, реже атмосферный воздух. Возможно также изучение опосредованного воздействия на тест-объект твердых компонентов окружающей среды: почв, донных осадков, грунтов. В этом случае используют поровые воды этих сред или водные вытяжки из них, получаемые с использованием общепринятых методик. Кроме того, биотесты могут проводиться в фазе взвешенных частиц. Однако основным объектом применения методов биотестирования являются все же сточные и природные воды.

В последние годы методы биотестирования стали активно применяться при оценке качества морской среды. В первую очередь это связано с масштабным освоением нефтеуглеводородных ресурсов континентального шельфа и материкового Мирового океана. Тесты направлены на оценку качества морской среды, а также токсичности промышленных и буровых вод и буровых шламов. При этом наиболее сложной проблемой тестирования морской среды остается выбор тест-объектов, которые в уже сложившейся практике биологического контроля представлены в основном пресноводными формами организмов. Поэтому в настоящий период при проведении биотестирования морской среды предпочтение отдается видам, естественно обитающим на данных акваториях.В основе методики биотестирования лежит сравнение тестируемых образцов с контрольными пробами в течение определенного времени. При этом могут проводиться экспериментальное биотестирование (до нескольких часов), оценка токсического воздействия (в течение 1-3 суток экспозиции), хронического токсического воздействия (через 7-10 суток экспозиции), а также прогноз отдаленных последствий (через 2-3 недели экспозиции). Всего к настоящему времени разработано более 50 стандартов. Наиболее часто используемыми тест-объектами является рачок Daphnia magna, который применяется при контроле токсичности сточных вод и выявлении источников загрязнения. Широкую апробацию получили тесты на поведенческие и физиологические реакции рыб (метод рыбной пробы), в частности на реакцию ухода рыбы из опасной зоны. В качестве показателей токсичности среды используются также изменения двигательной функции пиявок, реакции закрытия створок моллюсков, скорости потребления кислорода голотурии и др.

Для определения токсичности природных пресных вод и донных отложений, сточных вод и отработанных буровых растворов рекомендовано применение методик биотестирования по снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum, снижению прироста количества инфузорий Ttlrahymena, pyriformis, угнетению роста пресноводных водорослей Scenedesmus quadricauda, гибели ракообразных Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis, выживаемости и плодовитости ракообразных Ceriodaphnia affinis, гибели рыб гуппи РоесгШа reticulata.

Оценку токсичности морских вод и донных отложений, сточных вод разной степени солености и отработанных буровых растворов, сбрасываемых в морские воды, рекомендуется проводить с помощью методик биотестирования по угнетению роста одноклеточных морских водорослей Phaeodactilum tricomutum, гибели ракообразных Artemia salina и рыб РоесгШа reticulata, снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum.

Для комплексного экологического мониторинга изменения морской среды в районах разработки морских нефтегазовых месторождений используют тест-реакции бактерий, простейших,одноклеточных водорослей, макрофитов, зоопланктона и макробентоса (таблица).

Таблица - Рекомендуемые группы и виды морских организмов и их тест-реакции для использования при биотестировании

Донные осадки, поровые воды, элюаты, шламы, стоки .Снижение выживаемости, изменения темпов размножения и скорости роста, нарушения подвижности и морфологии Одноклеточные водоросли, региональные доминанты (Coscinodiscus,Ditylum, Gyrodinium, Exuviella и др.)Вода, стоки Изменение скорости деления и численности клеток, нарушения интенсивности фотосинтеза и флуоресценции, аномалии пигментного состава и др.

Макрофиты (Laminaria, Macroсуstis pyrifera и др.) Вода, стоки Изменение скорости роста, нарушения оседания зооспор морфологические и элетрофизиологические аномалии

Зоопланктонные фильтраты (Acartia,Eurotimora, Tigriopus, Calanipeda, Artemia salina и др.) Вода, ПМС, стоки Снижение выживаемости и пло-довитости, нарушение воспроизводства, поведения и трофической активности, морфологические и другие аномалии Рыбы (икра, личинки, молодь) (Salmo gairdner, Tmchurus trachurus, Limanda limanda, Gadus morhua, Scophthalmus maximus, Sprattus sprattus, Spicara smaris и др.)Вода, ПМС, стоки Повышение смертности и частоты морфологических аномалий,нарушения питания, роста, дыхания, поведения, физиологических и других показателей

Макробентос (взрослые эмбрионы, личинки) (Mytilus edulis, Crassostrea gigans, Macoma, Echinocardium, Arenicola и др.)Вода, ПМС, донные осадки, стоки, шламы Снижение выживаемости, нарушение размножения, замедление роста, поведенческие, физиологические и другие отклонения от нормы.

Для оценки устойчивости растений к повышенному содержанию в среде ТМ в лаборатории экологии растительных сообществ Ботанического института РАН разработана модификация метода корневого теста (Алексеева-Попова, 1985, 1991).Благодаря простоте и оперативности (экспрессности), достаточно высокой чувствительности он занимает первое место среди вегетативных опытов. Это экспресс-метод определения устойчивости объектов на проростках в течение 2-3 недель: состав контрольного раствора позволяет выращивать растения разных таксонов и опробовать большой диапазон концентраций металлов. В условиях одного опыта возможна оценка специфичности действия отдельных металлов, а также сравнение устойчивости разных видов и популяций одного вида к определенному металлу. Под воздействием токсичных концентраций ТМ наблюдается ингибирование ростовых процессов, Снижение прироста корней коррелирует с концентрацией металлов. Реакция корней ярко проявляется даже на незначительное увеличение дозы металла. С помощью метода корневого теста установлены меж- и внутривидовые различия устойчивости к Cu, Ni, Mn, Zn, Pb, Cd растений различных систематических таксонов (злаков сем. Роасеае:пшеницы, овса, ячменя; двудольных: сем.бобовых Fabaceae, сем. Kpестоцветных Brassicaceae, сем.сложноцветных Asteraceae, сем. губоцветных Lamiacea и др.). Результаты проведенных лабораторных исследований позволяют рекомендовать метод корневого теста для выделения металлоустойчивых популяций видов, пригодных для выращивания на сельхозугодьях в загрязненных условиях, а также для рекультивации нарушенных земель.В последние годы практикуется проведение биотестирования с несколькими тест-организмами одновременно, например с аквариумными рыбками гуппи, моллюсками и рачками дафнии. При этом используются следующие критерии: при гибели 50% одного организма вода оценивается как слабо токсичная, а в случае 50% гибели всей группы тест-объектов каксильно токсичная.Биотестирование является значительно более оперативным способом оценки качества вод и может использоваться при проведении экологического контроля. Этот способ менее дорогостоящ,а методы его проведения и результаты более доступы для понимания неспециалистом.

В целом метод биотестирования при оценке уровня токсичности среды, как дополняющий химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств:

1. 
   тест-объект, как правило, реагирует на относительно слабые антропогенные нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы вредного воздействия;
   

3)по результатам тестов достаточно надежно вскрываются тенденции изменения ситуации в окружающей среде.

Однако выявлен и целый ряд трудностей применения обсуждаемого метода. Существенной проблемой использования простейших организмов является их несопоставимость с многоклеточными, реакция которых на те же самые изменения в водной среде может быть отличной. Так, например, для инфузории реакция на ТМ отмечается уже при концентрациях на несколько порядков ниже ПДК в воде. В отношении биогенных соединений все наоборот: реакция проявляется при концентрациях, на несколько порядков превышающих ПДК. Кроме того, недостатками метода являются низкая надежность, сложность трактовки результатов и их переноса с одного вида на дру-

гой, отсутствие разработанных оценочных шкал. Все это сильно осложняет процесс стандартизации метода, без чего сам механизм государственного тестового контроля отладить практически невозможно.Во избежание хотя бы части перечисленных трудностей в последние годы специалистами предлагаются новые научно-методические подходы к выбору тест-организмов на основе эволюционных, физиологических, психо-поведенческих и других особенностей (Зайцева, Ковалев, 1994).Суть этих предложений заключается в учете основных особенностей адаптационных процессов и данных о чувствительности и резистентности тест-организмов, во введении в практику биотестирования элементов этологического анализа, а также правильность определения сроков тестирования. По перечисленным критериям наиболее подходящими являются беспозвоночные гидробионты (ракообразные и брюхоногие моллюски), обладающие достаточно высоким уровнем организации. В отношении тестирования донных осадков в качестве тест-объектов рекомендуются донные беспозвоночные (Гудимов, Гудимова, 2002). Обосновывается целесообразность одновременного с общей оценкой токсичности вод проведения тестов на загрязняющие вещества. В этом случае могут быть использованы свойства некоторых организмов реагировать на конкретные поллютанты.Серьезные усилия необходимо приложить к разработке единых шкал биологической оценки токсичности сред.Верификация комплекса биоиндикационных методов для оценки состояния окружающей среды может проводиться как в лаборатории в условиях контролируемого эксперимента, так и с помощью различных статистических приемов оценки достоверности взаимосвязи индикатора с объектом индикации. К их числу относятся регрессионный, факторный и кластерный анализы.Выбор метода зависит от конкретных задач и масштабов индикационной оценки территории.

Таким образом, в настоящее время разработано и широко используется в практике экологи-ческого мониторинга большое количество методов и приемов биоиндикации. Фитоиндикационный метод позволяет оценить комплексное антропогенное воздействие и его экологические последствия в естественных природных и техногенно нарушенных ландшафтах. Он незаменим при выполнении изысканий в труднодоступных районах и там, где отсутствуют посты мониторинговых наблюдений.