Биоиндикаторы

Биоиндикаторы - это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Когда хотят подчеркнуть то, что биоиндикаторы могут принадлежать к разным уровням организации живого, употребляют термин «биоиндикаторные системы».

Критерии выбора биоиндикатора:

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех царств живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биоиндикатор должен удовлетворять ряду требований:

- быть типичным для данных условий;

- иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

- обитать в данном месте в течение ряда лет (проследить за динамикой загрязнения);

- находиться в условиях, удобных для отбора проб;

- давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;

- характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

- использоваться в естественных условиях его существования;

- давать быстрый ответ;

- обладать достаточной степенью надежности (ошибка < 20%);

- обладать простой методикой проведения эксперимента.

Таким образом, ответная реакция биоиндикатора на определенное воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, широко распространенные на исследуемой территории и не занесенные в «Красную книгу».

Типы биоиндикаторов:

Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически
сразу после начала действия нарушающего фактора.

Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Биоиндикаторы принято описывать с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.

При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой - только на один (см. примеры по специфической и неспецифической биоиндикации).

При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой - на незначительные.

Тест-организмы - это биоиндикаторы (растения и животные), которых используют для оценки качества воздуха, воды или почвы в лабораторных опытах.

Примеры тест - организмов:

- одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников и пр.);

- простейшие: инфузория-туфелька;

- членистоногие: рачки дафния и артемия;

- мхи: мниум;

- цветковые: злак плевел, кресс-салат.

Одно из основных требований к тест-организмам - это возможность получения культур из генетически однородных организмов. В таком случае отличия между опытом и контролем с большей вероятностью могут быть отнесены на счет нарушающего фактора, а не индивидуальных различий между особями.

1.5. «Контроль» в биоиндикации

Отклонение характеристик биоиндикатора в нарушенной среде необходимо сравнить с нормой или «контролем». В зависимости от ситуации используют разные подходы.

Сравнение с характеристиками объекта вне зоны воздействия.

Например, чтобы выявить изменение растительных сообществ при промышленном загрязнении, их сравнивают с сообществами, расположенными вне зоны антропогенного воздействия.

Сравнение с результатами эксперимента. В лабораторных опытах часть тест-организмов контактирует с загрязненной почвой, водой или воздухом, другая же часть (это контроль) с заведомо чистыми субстратами. Для тестирования воздуха, например, применяют специальные камеры с тест-растениями. Через опытные камеры пропускают загрязненный воздух, а через контрольные - профильтрованный с помощью активированного угля.

Сравнение с характеристиками объектов в прошлом до воздействия человека (исторические стандарты). Некоторые типы экосистем, например, европейские степи, практически утратили свой начальный облик. В таких случаях о степени их нарушенности можно судить по подробным научным описаниям, сделанным около века назад.

Контроль - определенный вид функциональной зависимости, отклонение от которой рассматривается как нарушение. Например, в многовидовых ненарушенных сообществах распределение видов по классам встречаемости, обилия или доминирования соответствует кривой Раункиера. При выявлении нарушений среды изучаемое распределение видов сравнивают не с конкретным значением какого-либо показателя, а с серией этих значений, описываемых кривой, форма которой при загрязнении среды изменяется.

Во всех случаях, когда речь идет о контроле, без которого биоиндикация в принципе невозможна, встает вопрос, что считать нормой для того или иного биоиндикатора? В одних случаях ответ будет простой. Например, появление на листьях растений некротических пятен любой формы и размера - всегда индикатор загрязнения среды, поскольку в норме их быть не должно. Ситуация усложняется, когда нормой является не одно конкретное состояние биоиндикатора, а целый набор, диапазон таких состояний. К таким биоиндикаторам относятся численность популяций, разнообразие сообществ, их видовой состав и т.д. Эти характеристики меняются по сезонам и по годам, они могут отличаться в различных местообитаниях. Следовательно, чтобы установить норму для таких биоиндикаторов, нужно располагать данными об их сезонной и многолетней динамике, их изменении по местообитаниям. Так, численность мелких почвенных членистоногих коллембол на одном и том же участке ненарушенного леса может меняться в течение года в 10-20 раз, разнообразие их сообществ - в 2-3 раза.

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества и недостатки имеет биоиндикация по сравнению с физико-химическими методами оценки состояния окружающей среды?

2. Каким требованиям должен удовлетворять биоиндикатор?

3. Какие тест-организмы вы знаете?

4. Дайте определения активному и пассивному мониторингу.

5. Приведите примеры прямой и косвенной биоиндикации.

6. Приведите примеры специфической и неспецифической биоиндикации.