3.2.2 Биоиндикация
Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества.
Биоиндикация – это обнаружение и определение антропогенных нагрузок по реакциям на них живых организмов и их сообществ.
Видовое разнообразие и высокая численность или, наоборот, отсутствие стрекоз (Odonata) на берегу водоема говорят о его фаунистическом составе: много стрекоз – фауна богата, мало – водная фауна обеднена.
Если в лесу на стволах деревьев исчезают лишайники, значит, в воздухе присутствует сернистый газ. Только в чистой воде встречаются личинки ручейников (Trichoptera). А вот малощитинковый червь (Tubifex), личинки хирономид (Chironomidae) обитают лишь в сильно загрязненных водоемах. В слабозагрязненных водоемах живут многие насекомые, зеленые одноклеточные водоросли, ракообразные.
Биоиндикация позволяет вовремя выявить еще не опасный уровень загрязнения и принять меры по восстановлению эколгического равновесия окружающей среды. Как сильно ошибаются те, кто считает, что выполнять определенные мероприятия надо только после обнаруженного эффекта гибели водных объектов или почвенных сред. Эколог – сродни медицинскому работнику, который лечит людей. Болезнь легче предупредить, а если лечить, то хотя бы в ранней стадии ее развития. Когда болезь запущена, то и лечение ее затруднено, а может быть и не возможно. Так же дело обстоит и в экологической проблеме.
С помощью биоиндикаторов может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).
В некоторых случаях методу биоиндикации отдают предпочтение, так как он проще, чем, например, физико-химические методы анализа.
Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.
Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.
Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды.
Экологические основы биоиндикации
Биомониторинг
Слайд 1,2,3,4,5
Поскольку оценка качества почвы, воды и воздуха приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды. Для этой цели используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический. Биологический подход развивается в рамках направления, которое получило название биоиндикации и биомониторинга.
Лучше других отработана система биомониторинга водной среды. Госгидромет использует классификатор качества вод, включающий шесть классов. Оценивают показатели донных беспозвоночных, перифитона (обитатели водных растений), фито-, зоо- и бактериопланктона.
Слайд 5
Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и один из прочих методов биомониторинга по выбору.
Слайд 7,8,9,10
Лишайники и их виды
Картинки идут тут
Слайд 11
Критерии выбора биоиндикатора:
Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик:
специфичность и чувствительность.
Слайд 13,14,15,16,17,18,19
• одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников и пр.);
• членистоногие: рачки дафния и артемия;
• цветковые: злак плевел, кресс-салат.
Слайд 20
Наиболее развиты системы регионального мониторинга в Германии и Нидерландах.
Для примера рассмотрим одну из систем биомониторинга, принятую в Германии (земля Баден-Вюртемберг). Она предполагает оценку следующих показателей:
• степени дефолиации (преждевременной потери листвы) бука, ели и пихты;
• состава поллютантов в листьях и хвое;
• сукцессии (закономерной смены) травянистой растительности;
• жизненности травостоя и содержания в нем поллютантов;
• площади покрытия эпифитных лишайников;
• численности коллембол (мелких почвенных членистоногих) и наземных моллюсков;
• аккумуляции поллютантов в дождевых червях.
Результаты мониторинга представляют в виде таблиц и графиков. К числу удачных способов относится метод «Амебы». Рисуют круг, который делят линиями на равные секторы по числу измеряемых показателей. Линия окружности означает их нормальные значения. Показатели могут быть химическими (содержание тяжелых металлов, фосфора и т.д.), физическими (уровень фунтовых вод, мутность и пр.) и биологическими (численность, разнообразие и другие характеристики биоиндикаторов). Далее в каждом секторе закрашивают площадь, пропорциональную значениям соответствующего показателя. Линии могут выходить за пределы круга, если значения «зашкаливают», тогда у «Амебы» появляются «выросты-ложноножки». Результаты мониторинга, представленные в виде ряда таких рисунков, наглядно выявляют направление «движения Амебы» и, соответственно, направление изменений в экосистеме.
Слайд 21,22
Биоиндикация
Существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.
1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.
2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.
3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека.
Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь кос венные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.
Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.
Слайд 23,24,25
Экологические основы биоиндикации
Все биологические системы — будь то организмы, популяции или биоценозы — в ходе своего развития приспособились к комплексу факторов местообитания.Они завладели внутри биосферы определенной областью, экологической нишей, в которой находят подходящие условия существования и могут нормально питаться и размножаться (Schubert, 1984). Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора генетически детерминированным, филогенетически приобретенным, уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым. Если фактор отличается слишком высокой или слишком низкой интенсивностью, но еще не детален, то организм находится в физиологическом пессимуме. За пределами некоторого минимального и максимального значения фактора дальнейшая жизнь невозможна. В ограниченной области интенсивности фактора, особо благоприятной для данной особи, организм существует в условиях физиологического оптимума. Физиологический диапазон толерантности обычно неодинаков для разных стадий развития организма и для всех особей данных популяции.
При широкой амплитуде толерантности организмы называются эврипотентными, при узкой — стенопотентными.
Нередко развитие организма зависит от фактора, интенсивность которого близка к крайним переносимым значениям, т. е. соответствует физиологическому пессимуму. Поэтому изменение его значений в сторону оптимума вызывает наибольшие экологические воздействия. Правда, и в этом случае общее развитие всегда определяется взаимодействием всех воздействующих факторов (Полетаев, 1973).
Будучи взаимозависимыми, отдельные факторы могут до известной степени взаимозаменяться. Различные сочетания факторов вызывают сходные эффекты, хотя их полной взаимозаменяемости не происходит. Поэтому в природе существуют отличающиеся по присутствию и по размерам от физиологических (потенциальных) диапазонов толерантности экологическим диапазоны присутствия (экологические потенции), отражающие фактическую реакцию организма при воздействии всех факторов среды (Schubert, 1984) (рис. 1). Физиологическая толерантность и экологическая потенция организма определяют его индикаторную ценность. В результате каждая биологическая система (организм, популяция, биоценоз) характеризует зависящее от времени воздействие на нее факторов среды — природных, измененных человеком или антропогенных (Schubert, 1977). Метод оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией (лат.—indicare—указывать) (Rabe, 1982).
Слайд 26
В зависимости от времени развития биоиндикационных реакций можно выделить шесть различных типов чувствительности (рис. 2).
I тип: биоиндикатор дает спустя определенное время, в течение которого он никак не отвечал на воздействие (отсутствие эффективного уровня), одноразовую сильную реакцию и тут же теряет чувствительность (выше верхнего эффективного уровня).
II тип: как и в первом случае, реакция внезапная и сильная, однако продолжается известное время, а затем резко исчезает.
III тип: биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающего воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени.
IV тип: после немедленной сильной реакции наблюдается ее затухание, сначала быстрое, потом более медленное.
V тип: при появлении нарушающего воздействия начинается реакция, становящаяся все более интенсивной, пока не достигает максимума, а затем постепенно затухает.
VI тип: реакция V типа неоднократно повторяется; возникает осцилляция биоиндикационных параметров.
Слайд 27,28
Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.
При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае ее ребристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона
Биоиндикация
Биоиндикация — оценка качества природной среды по состоянию её биоты. Биоиндикация основана на наблюдении за составом и численностью видов-индикаторов.
Содержание
Экологические основы биоиндикации
В ходе онтогенетического и филогенетического развития любой организм в отношении любого фактора обладает генетически детерминированным и филогенетически приобретённым, уникальным физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которой данный фактор не оказывает существенного влияния на жизнедеятельность организма, является переносимым. В случае низкой или высокой интенсивности силы фактора организм находится в зонах физиологического пессимума, когда силы воздействия находится за максимальными или минимальными пределами для конкретного организма — наступает угнетение жизнедеятельности организма и организм погибает. Данный диапазон неодинаков как для различных особей популяции (но колеблется в пределах определённых для вида) и неодинаков в разные стадии жизненного цикла организма, а также в случае когда значение интенсивности других факторов находятся либо в зоне пессимума или угнетения.
Развитие организма происходит под комплексным, синергетическим воздействием всевозможных комбинаций факторов среды биотической и абиотической природы. Зачастую развитие ограничивают факторы находящиеся в зоне пессимума или угнетения (так называемое расширенное правило Либиха). В природе происходит лишь частичная реализация физиологических потенциалов — так называемая реализованная экологическая ниша (постконкурентная экологическая ниша, популяционная экологическая ниша, экологический диапазон присутствия, экологический потенциал). Экологический потенциал отражает реакцию организма на воздействие факторов. Физиологическая толерантность и экологическая потенция определяют его индикаторную ценность.
В результате как состояние организма, так и его численность, структура популяции отражает благоприятность состояния окружающей среды. Такие организмы, жизненные функции которых тесно скоррелированными с отдельными факторами среды называются биоиндикаторами
Существует две формы биоиндикации: когда одинаковые реакции организма могут быть вызваны различными факторами среды (в том числе и антропогенного происхождения) — тогда речь идёт о неспецифической биоиндикации; когда изменения реакции чётко связаны с изменением конкретного фактора — специфическая биоиндикация.
Применение
Применение в эпидемиологии и санитарии
Оценка угрозы инфекционных заболеваний достигается при мониторинге загрязнения водоемов сточными водами. Именно канализационные стоки могут содержать патогенные микроорганизмы — основной источник инфекций, передаваемых через воду. Поскольку патогенных микроорганизмов много, каждый выявлять трудоемко и нецелесообразно, разработан тест на кишечную палочку (Escherichia coli). Эта бактерия обитает в огромных количествах в толстой кишке человека и отсутствует во внешней среде. E.coli не патогенна и даже необходима человеку, но ее присутствие во внешней среде — индикатор неочищенных канализационных стоков, в которой могут быть и патогенные микробы.
Применение в экологии
Биоиндикация — оценка качества среды обитания и её отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях. Для учёта изменения среды под действием антропогенного фактора составляются списки индикаторных организмов — биоиндикаторов. Биоиндикаторы — виды, группы видов или сообщества, по наличию, степени развития, изменению морфологических, структурно-функциональных, генетических характеристик которых судят о качестве воды и состоянии экосистем. В качестве биоиндикаторов часто выступают лишайники, в водных объектах — сообщества бактерио-, фито-, зоопланктона, зообентоса, перефитона.
Применение в геологических исследованиях
Ряд растений-индикаторов определённым видимым образом реагирует на повышенные или пониженные концентрации микро- и макроэлементов в почве. Это явление используется для предварительной оценки почв, определения возможных мест поиска полезных ископаемых.
Биотестирование
Биоиндикацию часто путают с биотестированием. Но если при биоиндикации организмы извлекаются из природы и по их состоянию оценивают степень загрязнения, то при биотестировании качество воды, почвы оценивается посредством лабораторных объектов (животных, растительных, одноклеточных), помещённых в тестируемую среду уже в лаборатории.
Раздел 3. Прикладная экология
И.Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.
Раздел 3. Прикладная экология
Лекция 25. Качество среды. Биоиндикация
25.2. Биоиндикация, ее сущность, практическое использование
определенные факторы среды создают возможность существования того или иного вида. Поэтому по организмам можно судить об условиях их обитания. Виды, которые позволяют выявлять специфические особенности среды, называются индикаторами. Определение качества среды с помощью биоиндикаторов, установление биологически значимых антропических нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ называется биоиндикацией. Биоиндикация представляет собой метод определения степени загрязнения природной среды с помощью живых организмов (или природных сообществ). Индикация экологических условий проводится на основе оценки изменения как видового разнообразия организмов той или иной местности, так и их химического состава, который отражает присущую им способность накапливать элементы и соединения, поступающие из окружающей среды. Например, оценка состояния окружающей среды по изменению количества видов связана с тем, что наиболее чувствительные к тем или иным загрязняющим веществам виды растений и животных исчезают из биоценоза (майский жук, лишайники в промышленных центрах) либо, наоборот, увеличивают свою численность (синезеленые водоросли, при поступлении в водоемы загрязняющих веществ с сельскохозяйственных угодий).
Функции индикатора выполняет тот вид, который имеет узкую амплитуду экологической толерантности по отношению к какому-либо фактору. Большей частью индикаторами являются растения – организмы, не способные к активному перемещению. Если в лесу на стволах деревьев обильны лишайники, значит в воздухе почти нет вредных примесей, особенно сернистого газа. При наличии сернистого газа лишайники исчезают. Некоторые растения довольно широко используются в качестве индикаторов (таблица 25.1). Когда сосна или можжевельник, к примеру, растут над залежами урановой руды, в их хвое содержится значительно больше урана, чем обычно. Виды астрагалов являются индикаторами селена, а некоторые крестоцветные – серы. В роле индикатора может выступить весь фитоценоз, так как особенности климата, почв, химизм среды, влажность влияют на видовой состав растительности.
Иными словами, по флористическому составу можно установить качество почв и их физико-химические свойства, характер местных климатических условий, наличие в среде тех или иных химических элементов, влияние биотических факторов и различных форм деятельности человека на природу. Изучение комплекса сапробных организмов позволяет определять степень загрязнения воды. Только в чистой воде встречаются некоторые мхи, личинки ручейников. А вот серные бактерии, личинки хирономид обитают лишь в сильно загрязненных водоемах. В слабозагрязненных водах живут многие насекомые, зеленые одноклеточные водоросли, ракообразные. видовое разнообразие и высокая численность или, наоборот, отсутствие стрекоз на берегу водоема говорят о его фаунистическом составе: много стрекоз – фауна богата, мало – водная фауна обеднена.
Таблица 25.1 – Основные растения – индикаторы загрязнения атмосферного воздуха
В качестве биоиндикатора экологического риска территории для жизни населения должна рассматриваться
Методы биоиндикации
Методы биоиндикации используют для оценки качества среды обитания и еѐ отдельных показателей по состоянию организмов и биоценозов в природных условиях. Биоиндикаторы – это виды, группы видов или сообщества, по различным показателям которых судят о качестве воды, воздуха, почвы и состояния экосистем. Методы биоиндикации обычно достаточно просты, не требуют специального оборудования и больших затрат. Многие из них вполне доступны школьникам, даже в младших классах. А результаты могут быть очень интересными и полезными, особенно, если в вашем населенном пункте раньше этим не занимались.
Биоиндикация загрязнения водоемов с помощью ряски.
С помощью этого простого метода вы можете определить степень чистоты воды в различных водоемах – прудах, озерах, речках. Естественно, в них должно быть какое-то количество ряски. Можно сравнить разные водоемы или в одном и том же водоеме взять пробы в разных местах – там, где вы предполагаете более чистую воду и наличие загрязнений.
Но вы можете обнаружить в водоеме и другие виды ряски, поэтому приводим схему-определитель видов.
Рис.1. 1 – ряска трехдольная, 2 – ряска малая, 3 – ряска горбатая, 4 – многокоренник обыкновенный
Как выполнить экспресс-оценку качества воды
После всех подсчетов у вас должна получиться подобная таблица (приводим пример из одной из работ по данной тематике).
ряски в пробе
щитков к числу особей
% поврежденных щитков от
количества щитков
Класс качества воды можно определить по подсчитанным показателям, используя следующую таблицу.
Таблица экспресс-оценки качества воды по ряске
В верхней строке найдите графу, которой соответствует ваш первый показатель (число щитков/ число особей).
В столбце слева найдите графу, которая соответствует вашему проценту поврежденных щитков.
На пересечении вашего столбца и строчки в клетке будет стоять какая-то цифра. Это и есть степень чистоты воды:
3- умеренно загрязненная
Вы можете получить разные значения класса чистоты воды в разных водоема или даже в разных местах одного водоема. Подумайте о причинах и сделайте выводы. Есть ли реальная возможность улучшить ситуацию? Это может стать темой полезной проектной работы.
Биоиндикация качества воды в водоеме по составу беспозвоночных животных
метод Майера.
Если вам более интересна работа с беспозвоночными животными, чем с ряской, то предлагаем вам оценку состояния водоема по методу Майера. (Кстати, если различные юные исследователи выполнят обе работы, то будет очень интересно сравнить результаты).
Работу на водоеме необходимо начать с его описания. Надо указать следующие признаки:
Когда описание водоема будет составлено и занесено в дневник наблюдений, можно приступить к отлову водных организмов. Для того воспользуемся предложениями специалистов.
Как отлавливать водные организмы?
Чтобы получить достоверную информацию о водоеме, нужно собрать максимально разнообразную добычу. В ней должны быть представлены донные животные, активно плавающие организмы и обитатели зарослей водной растительности. Чтобы их отловить, надо использовать специальную банку и сачок.
Банку вкручивают днищем вверх в мягкий донный грунт на глубину 10-15 см, после чего аккуратно переворачивают и вытаскивают на берег.
Вынутый грунт необходимо промыть. Для этого лучше всего подходят специальные зерновые сита. Если таких сит нет, можно использовать дуршлаг. Хорошее сито можно легко изготовить самим, натянув на круглую или прямоугольную рамку размером 20 на 20 см синтетическую сетку, которую используют летом на окнах для защиты от комаров.
Сито с вынутым грунтом наполовину погружают в воду и встряхивают энергичными, но аккуратными движениями до тех пор, пока вода в сите станет относительно прозрачной. Оставшихся в сите животных вместе с крупными частицами грунта вытряхивают в тазик, миску или другую посуду со светлым дном с 2-3 сантиметровым слоем воды и приступают к определению животных.
Для получения достоверных данных об обитателях некрупного водоема необходимо взять не менее 5 подобных проб в различных местах. Интересно сравнить чистые участки и места с антропогенным загрязнением, если водоем достаточно большой.
Сачком производятся движения, похожие на движения косы при кошении травы, причем вести сачок нужно против течения. По возможности следует проводить им ближе ко дну, по зарослям водной растительности, у камней. После каждого взмаха сачок вынимают, и пойманные организмы вытряхивают в кювету (тазик, миску). Если в сачок попало значительное количество грунта, его необходимо промыть на сите или в самом сачке.
Нужно обязательно поискать животных на растениях, камнях и корягах, поднятых со дна водоема. При подъеме донных предметов лучше прямо под водой положить их в сетку сачка, иначе в процессе подъема многие животные могут быть утеряны.
Когда вы рассадите всех по банкам, можно приступать к определению их видовой принадлежности.
Рекомендуем список хороших определителей беспозвоночных животных. Если вы никогда раньше не занимались такой работой, то советуем проконсультироваться с учителем или другим специалистом. Если такой возможности в конкретный момент не будет, то постарайтесь сфотографировать неизвестных вам животных или зафиксировать образцы. Так их можно сохранить на длительный период.
Индекс Майера
Это простая методика так как никаких беспозвоночных не нужно определять с точностью до вида; методика годится для любых типов водоемов. Метод использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности. Организмы-индикаторы отнесены к одному из трех разделов:
| Обитатели чистых вод | Организмы средней степени чувствительности | Обитатели загрязненных водоемов |
