Теоретические основы биоиндикации.История биоиндикации

Биоиндикация прошла немалый путь развития. Первые наблюдения в этой области сделали ещё античные учёные: именно они обратили внимание на связь облика растений с условиями их произрастания. Живший в 327-287 гг. до н.э. Теофраст написал известную работу "Природа растений", в которой содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего. Так, в трудах Катона Старшего (234-149 гг. до н. э.) есть указания на то, что густота травостоя до перепашки помогает выбирать участки, пригодные для посева культур бобовых. В высказываниях римского ученого и писателя Плиния Старшего (23 или 24-79 гг.) содержатся предостережения о слишком упрощенном представлении о связи почв и растительности. Он пишет, что не всегда высокие деревья или пышные луга и высокие травы служат признаком плодородия почвы.

В I в. до н. э. римский писатель и агроном Ю. Колумелла - по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам мог судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти.

Идею биоиндикации по растениям сформулировал ещё в первом веке до н. э. Колумелла: "Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти". Это направление, получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях.

В нашей стране основоположником биоиндикационного использования растений, оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова бесспорно считают А.П.Карпинского. Его работу, посвящённую приуроченности растений к различным горным породам и опубликованную в 1841 г., до сих пор нередко используют.

Основой биоиндикации является теснейшая взаимосвязь и взаимообусловленность всех явлений природы. Она представляет собой частный случай приложения идей В.В.Докучаева о связи всех элементов условий среды с решением практических задач. В.В.Докучаевым (1883, 1893 г.) было развито представление о почве как об особом естественно- историческом образовании. В.В.Докучаевым (1898) был сформулирован "закон постоянства взаимоотношений между почвой и обитающими на ней растительными организмами как во времени, так и в пространстве". Глубокие связи между почвой, породой и растительностью изложены в трудах П.А.Костычева (1890). Отсюда и возникла возможность устанавливать по растительности компоненты, особенности почвы и ландшафта в целом. Примеры практического использования индикаторов почв приведены Ф.И.Рупрехтом (1866). В связи с этим одним из первых направлений в биоиндикации была индикационная геоботаника. Из теоретических, обобщающих работ по биоиндикации первой наиболее фундаментальной и выдающейся была сводка Ф.Клементса (Clement, 1920). Эта работа положена в основу учения о растительных индикаторах.

Значительный интерес представляют работы по использованию растительности как показателя климата; типов леса; уровня залегания грунтовых вод. Идеи В.И.Вернадского (1926,1934), А.П.Виноградова (1952, 1954) дали обоснование возможности использования растений и растительных сообществ в целях индикации полезных ископаемых, направленности геохимических процессов.

Широко используются растительные индикаторы при изучении сельскохозяйственных угодий, оценке богатства, засоления, увлажнения, механического состава почв, стадий пастбищной дигрессии. Последовательный анализ экологических условий земель и их оценка по растительному покрову содержатся в трудах Л.Г.Раменского (1938, 1941), В.И. Ларина (1953).

Современные сведения о растительных индикаторах обобщены в обзорной статье А.Сэмпсона (Sampson, 1939) "Растительные индикаторы"; Б.В.Виноградова (1964) "Растительные индикаторы..."; С.В.Викторова, Г.Л.Ремезовой (1988) "Индикационная геоботаника". В последней работе особое внимание уделяется применению в биоиндикации дистанционных методов с использованием аэрофото- и космических снимков, послуживших основой для интенсивного развития нового направления - ландшафтной индикации.

Почти одновременно с геоботаникой индикационное направление появилось и в гидробиологии (гидробиологическая индикация), где в качестве индикатора состояния вод использовался планктон.

Практическим направлением в оформившейся с середины XX в. науки - почвенной зоологии стал зоологический метод диагностики почв (почвенная индикация). Он основан на взаимосвязи и взаимообусловленности организмов и среды их обитания, особенно чётко проявляющихся в почве, представляющей не только среду обитания организмов, но и результат их совокупной деятельности. Основоположником этого направления в России является академик М.С.Гиляров. Исследования и идеи в этом направлении были обобщены им в монографии "Зоологический метод диагностики почв" (1965).

Учение В.И.Вернадского о биосфере, ноосфере, явилось основой биогеохимического направления. Изучение химического состава живого вещества и связь его с химизмом окружающей среды положили начало биогеохимическому методу поисков полезных ископаемых и геохимической экологии.

К настоящему времени в биоиндикационных исследованиях наметились направления, основывающиеся на приоритетном использовании различных групп живых организмов: микроорганизмов, водорослей, растений, животных.

С конца 60-х годов XX в. в Скандинавских странах начали широко использовать мхи, лишайники при оценке загрязнения атмосферного воздуха. Так, Гриндон отмечал значительное сокращение числа лишайников из-за вырубки старых лесов и притока фабричного дыма. Лихеноиндикационная съемка проведена на территории многих крупных городов: в Казани, Харькове, Лондоне, Львове, Париже, Нью-Йорке, Москве, Санкт-Петербурге.

На первом этапе развития биоиндикации преобладало использование живых объектов как индикаторов естественных компонентов биогеоценозов. Однако с ухудшением экологических условий окружающей среды и возникновением проблем её охраны всё большее значение приобретают биоиндикационные исследования как природных, так и главным образом антропогенных загрязнений воды, воздуха, почвы, растительного покрова, животного населения (т.е. нарушенных биоценозов).

Учение о тяжелых металлах (ТМ), возникшее более ста лет тому назад, явилось основой при биоиндикационных исследований загрязнений. Одним из основателей его является К.Я.Тимирязев, который в 1872 г., первым из исследователей установил положительное действие Zn на рост и развитие растений.

Конец XX в. ознаменовался резким усилением внимания к решению экологических вопросов и своего рода «экологизацией» всех наук. В настоящее время установлены и широко используются группы видов-индикаторов различных антропогенных воздействий, эвтрофирования водных объектов, химического загрязнения почв, влияния на биоту рекреационной нагрузки, особенностей послепожарных сукцессий, воздействия на живые организмы радионуклидов, приоритетных поллютантов, в том числе ксенобиотиков, хлорорганических соединений (ДДТ, ГХЦГ, диоксины, фураны и т.д.), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), фенолов и др.

Возрастающее внимание к проблеме охраны природы обусловило необходимость проведения взаимосогласованных мероприятий по вопросам биоиндикации. В большинстве стран она осуществляется преимущественно по линии национальных академий наук и программ ООН (ЮНЕП, ФАО и др.). Плодотворным было сотрудничество экологов стран СЭВ в рамках "Экологической кооперации", в особенности по вопросам биотестирования качества вод. Большую работу по биоиндикации проводит Союз немецких инженеров. В настоящее время успешно развивается сотрудничество по линии международных союзов: экологов, охраны природы и особенно биологических наук (МБСН – международный союз биологических наук). На XXI Общей ассамблее МБСН в Оттаве (1982) была выработана программа "Биоиндикаторы". Основные принципы программы: стандартизация методов исследований; решение региональных и национальных проблем; создание школ специалистов по биоиндикации; расширение биоиндикационных исследований в мониторинге окружающей среды. Программа МБСН "Биоиндикаторы" подразделяет биологические системы, применение которых возможно для выявления вредных антропогенных веществ, на 6 подгрупп в соответствии с 6-ю дисциплинами.

Микробиология. Микроорганизмы быстро обнаруживают загрязнения как воды, так и почвы. Существуют микроорганизмы, особо чувствительные к некоторым веществам, другие принимают участие в распаде загрязнителей.

Указанием на изменение окружающей среды может быть элиминация (уменьшение) или увеличение разнообразия видов. Перемены в сообществе микроорганизмов, обеднение видового состава могут быть вызваны присутствием в среде специфических токсических агентов

Ботаника. Для обнаружения специфических загрязнителей воздушного бассейна и слежения за динамикой этого загрязнения возможно применение чувствительных видов растений. К их числу относятся низшие растения, лишайники, грибы, многие высшие растения. Толерантные или устойчивые индикаторные виды, а также их сообщества используются для характеристики почвенных условий, определения концентрации тяжёлых металлов.

Всем известны народные приметы: "черемуха цветет — к похолоданию", "обильный урожай рябины — к холодной зиме" и т. д. Некоторые растения применяли вместо барометра, с помощью других определяли, где рыть колодец. Опытные рудознатцы с помощью растений находили залежи медных руд и золотоносные пески. То есть на присутствие какого-либо полезного ископаемого указывает как обильное распространение определенных видов растений, так и отсутствие некоторых из них.

Еще один пример. Если в прибрежной полосе водоема растет редкое растение, значит, вероятнее всего, что вода чистая, потому что одна из причин исчезновения растений - это загрязнение окружающей среды. Если со знанием растений туго, то, по крайней мере, зеленую тину водоемов знают все. Чем ее больше, тем положение хуже. Дело в том, что с ухудшением качества воды высшие растения вымирают. Освобождается место, на котором могут жить только простейшие, более стойкие к загрязнению водоросли и организмы. Вот и заселяют такие места сине-зеленые водоросли, спирогира и другие неприхотливые создания.

Индикаторные виды используются для определения границ распространения конкретных почвенных условий. Они указывают на рН почвы, ее плодородие, концентрацию тяжелых металлов и могут быть использованы для картирования почв.

Исследования экологов показали, что замечательное свойство живых организмов накапливать в себе без вреда химические элементы можно использовать не только для контроля состояния окружающей среды, но и для ее оздоровления, локализации загрязнений и восстановления загрязненных территорий. Известен пример с водным гиацинтом, отличающимся интенсивным ростом и размножением. Из Америки он широко распространился, благодаря стараниям человека, по всем тропикам Земли и создал определенные препятствия на судоходных реках, каналах оросительных и дренажных систем. Причем он прекрасно приспособлен и к засухе: укоренившись длинными корнями в иле, растение пережидает неблагоприятный период. Однако трудная борьба со злостным сорняком принесла неожиданные результаты. Оказалось, что длинные корни водного гиацинта способствуют интенсивному накоплению всех имеющихся в воде химических примесей, в том числе токсичного свинца. "Отработавшие" растения подвергают газификации и получают газ, по свойствам близкий к природному, а из золы извлекают свинец, кадмий, ртуть и другие элементы.

Зоология. Изучение отдельных видов (а также целых сообществ) животных может стать источником сведений, касающихся накопления химических веществ в их теле. Индикаторные виды могут быть использованы для определения токсичности продуктов питания людей.

Некоторые животные настолько чувствительны к внешним воздействиям, что могут выступать в качестве живых приборов. Например, попугаи резко реагируют на присутствие в воздухе синильной кислоты, а тараканы и канарейки улавливают мельчайшие концентрации рудничного газа. Рыбы наиболее эффективно проявили себя как биоиндикаторы водных ценозов. Например, окуней, форелей и пескарей, рекомендовано запускать в бассейны ниже очистных сооружений для контроля качества воды. Что касается рыб, то у них различные требования к качеству воды. Наиболее важными для них являются содержание кислорода в воде и значение рН. Количество растворенного кислорода напрямую связано с загрязнением воды органическими веществами. Чем больше органики в воде, тем больше кислорода расходуется на ее окисление и тем меньше его остается для дыхания. Все знают самых "стойких" и самых "благородных" рыбок. Карась, карп, щука, линь, пескарь, вьюн смогут жить практически везде. А вот хариус, усач, форель, сиг нуждаются в особо чистой, прохладной воде.

Клеточная биология и генетика. Превосходными индикаторами являются клеточные и субклеточные (включая хромосомы) компоненты организма, адаптированные к определённым условиям. Уже имеются и ещё будут выявлены многочисленные тест-системы in vivo (в жизни) и in vitro (в пробирке) для кратковременного и долгосрочного слежения за изменениями природной среды.

Главное преимущество культвируемых клеток, которое полностью используется клеточными биологами, это возможность прижизненного наблюдения клеток с помощью микроскопа. Существенно, что при работе с культурами клеток в эксперименте используются здоровые клетки, и что они сохраняют жизнеспособность в течение всего эксперимента. Культуры клеток представляют собой гомогенную генетически однородную популяцию клеток, растущих в постоянных условиях. Исследователь может изменять эти условия в определенных пределах, что позволяет ему оценивать влияние на рост клеток самых различных факторов - рН, температуры, концентрации аминокислот, витаминов, антропоэкологических факторов. Рост может быть оценен в течение короткого периода времени. Эти реальные преимущества по, сравнению с исследованиями на животных, ставят клеточные культуры как экспериментальную модель в один ряд с культурами микроорганизмов.

Сравнительная физиология. Функциональные приспособления животных к изменениям окружающей среды могут быть исследованы на экологическом, биохимическом физиологическом и морфологическом уровнях и могут указывать на присутствие в ней загрязняющих веществ.

Многие животные, при появлении новых агентов в окружающей среде, изменяют свое поведение. Загрязнитель, попав на покровы тела или в органы дыхания может быть удален рефлекторным путем.

Интересен опыт использования рыб для биомониторинга качества вод. Американские ихтиологи высмотрели у рыб движение, с помощью которого те очищают жабры от посторонних примесей, и назвали его кашлем. Чем грязнее вода, то есть чем больше в ней содержится меди и ртути, тем интенсивнее рыбы "кашляют".

Гидробиология. Фауна и в особенности распределение видов, чувствительных к качеству воды, могут указывать на состояние водного бассейна.

Говорят, что загадочные древние японские "ниндзя" могли определить, загрязнена вода или нет по отражению в ней. И научно это можно обосновать, потому что у воды при наличии примесей меняется показатель преломления. Там, где японцы задумчиво смотрели в воду, русские по обычаю плевали - и в этом тоже была логика. Плевок разбегался в чистой воде и плохо растворялся при наличии загрязнений, потому что менялось поверхностное натяжение воды. Это биоиндикация на уровне традиций и эмоций.

Биологическая оценка является наиболее точной для описания общего состояния водоема. Она может дать ответы на вопросы, какова степень и характер загрязнения водоема, откуда поступает и как распределяется загрязняющее вещество, как водоем борется с загрязнением. Самая простая оценка состояния водоема - это видовое разнообразие. Чем больше рыб в нем живет, чем больше водных растений - тем лучше ситуация. Зоны распределения или спектр видов, чувствительных к качеству воды, отражают состояние водного бассейна. Необходимо только подобрать соответствующий вид-индикатор для конкретных токсикантов – таких, как тяжелые металлы, пестициды или другие синтетические химические вещества, кислоты.

Таким образом, в настоящее время биоиндикация загрязнений, основывающаяся на многовековом опыте использования методов биоиндикации в хозяйственной деятельности человека, находит все большее применение в области охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 1601; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!