Биоиндикация и биотестирование экологического состояния среды

Министерство образования  и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный  университет»

Кафедра общей экологии

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА №1 

БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ  ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДЫ

 

 

Выполнил: студ. гр. ЭЭ-201

  Юмагулов И.У.

                                                                               Научный руководитель:

                                                                                                           Мальцев Т.А

                                                                              

 

 

 

 

Дата сдачи:_______________

Дата защиты:_____________

Оценка:__________________

 

Челябинск

2013

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ                            3  

ГЛАВА  1                                                                                                      4

1.1 Принципы организации биологического мониторинга                                4

1.2 Биологический контроль окружающей среды                                                6

1.3 Области применения биоиндикаторов                                                            7

   1.3.1 Оценка качества воздуха                                                                            7

   1.3.2 Оценка качества воды                                                                                 9

   1.3.3 Диагностика почв                                                                                        9

ГЛАВА 2

2.1 Особенности использования  биологических объектов разных  систематических групп в качестве  биоиндикаторов                                         12

   2.1.1 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов    12

   2.1.2 Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов  14

   2.1.3 Особенности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов                                                                                                     16

   2.1.4 Симбиотические методы в биоиндикации                                       18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                     20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее  часто цитируемой  и, в то же время, наиболее идеологически расплывчатой областью экологии, является совокупность методов, называемая биоиндикацией. Хотя истоки наблюдения за свойствами биологических объектов можно найти в трудах естествоиспытателей самой глубокой древности, до сих пор отсутствует стройная теория и адекватные методы биоиндикации.

Основной  задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Очевидно, что сложность живой материи и характера ее взаимодействия с внешними факторами возрастает по мере повышения уровня организации. В этом процессе биоиндикация на низших уровнях организации должна диалектически включаться в биоиндикацию на более высоких уровнях, где она предаст в новом качестве и может служить для объяснения динамики более высокоорганизованной системы.

Актуальность  данной темы состоит в том, что  в настоящее время активная деятельность человека наносит Земле непоправимый вред. Биоиндикация, как метод мониторинга, отражает все без исключения, данные об окружающей среде и ее состоянии в целом. Является дешевым методом измерения биологических параметров.

Цель работы: Изучить подходы к биологическому контролю окружающей среды. Изучить общие принципы биоиндикации и биотестирования окружающей среды.

ГЛАВА 1    Биологический контроль окружающей среды

   1.1 Принципы организации биологического мониторинга

   Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральную характеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортное проживание человека.

Поскольку человек адаптирован  и может комфортно существовать только в современном биологическом  окружении, в при родных экосистемах, понятие «экологическое качество среды» подразумевает сохранение экологического равновесия в природе (относительной устойчивости видового состава экосистем и со става сред жизни), которое и обеспечивает здоровье человека.

Необходимо различать  цели и способы нормирования и  оценки качества среды обитания человека по основным физико-химическим параметрам, с одной стороны, и экологического прогноза будущего изменения состояния  экосистемы и здоровья людей в  условиях антропогенного пресса —  с другой.

Для общей оценки состояния  окружающей среды и определения  доли участия отдельных источников в ее загрязнении применяют санитарно-гигиенические  и токсикологические нормативы (предельно  допустимые концентрации — ПДК —  поллютантов, предельно допустимые уровни воздействия — ПДУ). Однако для прогноза результатов влияния антропогенных факторов как на экосистемы, так и на здоровье людей необходимо учитывать так же и многие показатели, характеризующие реакцию отдельных организмов и экосистемы в целом на техногенное воздействие.

Антропогенные загрязнения  действуют на живые организмы, и  в том числе на человека, в самых  различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние можно оценить  только по реакции живых организмов или целых сообществ. Прогноз действия на человека загрязненной воды, химических добавок в пище или за грязненного воздуха правомочен, если в оценку токсичности входят не только аналитические методы, но и биологическая диагностика действия среды на животных. Кроме того, многие ксенобиотики (чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организме, и в результате длительное воздействие даже малых концентраций этих веществ вызывает патологические изменения в организме. Наконец, известен парадоксальный эффект малых доз многих биологически активных соединений, когда сверхслабые дозы (ниже ПДК) оказывают на организм более сильное действие, чем их средние дозы и концентрации.

Универсальным показателем  изменения гомеостаза тест-организма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».

В биологии под стрессом понимается реакция биологической  системы на экстремальные факторы  среды (стрессоры), которые могут  в зависимости от силы, интенсивности, момента и продолжительности  воздействия более или менее  сильно влиять на систему.

Стрессовое воздействие  среды приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

В настоящее время оценка степени экологической опасности  традиционно осуществляется путем  определения в окружающей среде  отдельных потенциально вредных  веществ или воздействий и  сравнения полученных результатов  с законодательно установленными для  них предельно допустимыми величинами.

Реализация основных принципов  устойчивого развития цивилизации  в современных условиях возможна лишь при наличии соответствующей  информации о состоянии среды  обитания в ответ на антропогенное  воздействие, собранной в ходе проведения биологического мониторинга. Оценка качества среды является ключевой задачей  любых мероприятий в области  экологии и рационального природопользования. Сам термин «мониторинг» (от англ. monitoring — контроль) подразумевает проведение мероприятий по непрерывному наблюдению, измерению и оценке состояния окружающей среды.

Объектами мониторинга являются биологические системы и факторы, воздействующие на них. При этом желательна одновременная регистрация антропогенного воздействия на экосистему и биологического отклика на воздействие по всей совокупности показателей живых систем.

Основополагающим принципом  биологического мониторинга является установление оптимального — контрольного — уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз  действии. Обычно при оценке оптимума по какому-либо одному параметру возникает  вопрос о том, будут ли данные условия  оптимальными также для других характеристик  организма. Однако если исследуемые  параметры характеризуют основные свойства организма в целом, то их оптимальный уровень оказывается  сходным. Например, столь разные и, казалось бы, совершенно независимые параметры, как асимметрия морфологических  признаков, показатели крови, интенсивность  потребления кислорода, ритмика  роста и частота хромосомных  аберраций, могут изменяться синхронно, когда при определенном стрессовом воздействии в действительности изменяется наиболее общая базовая  характеристика организма — гомеостаз  развития.

 

   1.2 Биологический контроль окружающей среды

   Биологический контроль окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование. Применение в качестве биоиндикаторов растений, животных и даже микроорганизмов позволяет проводить биомониторинг воздуха, воды и почвы.

Биоиндикация (bioindication) – обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процесса и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биотестирование (bioassay) – процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо то того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живих организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул) В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.

Хотя подходы очень  близки по конечной цели исследований, надо помнить, что биотестирование  осуществляется на уровне молекулы, клетки или организма и характеризует  возможные последствия загрязнения  окружающей среды для биоты, а биоиндикация – а уровне организма, популяции и сообщества и характеризует, как правило, результат загрязнения. Живые объекты – открытые системы, через которые идёт поток энергии и круговорот веществ. Все они в той или иной мере пригодны для целей биомониторинга.

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических  объектов в последние десятилетия  оформился как актуальное научно-прикладное направление. При этом необходимо отметить дефицит учебной литературы по этим вопросам и большую потребность  в ней.

 

   1.3 Области применения биоиндикаторов 

 

   1.3.1 Оценка качества воздуха

 

    От загрязнения воздуха страдают все живые организмы, но особенно растения. По этой причине растения, в том числе низшие, наиболее пригодны для обнаружения начального изменения состава воздуха. Соответствующие индексы дают количественное представление о токсичном эффекте загрязняющих воздух веществ.

Лишайники являются симбиотическими  организмами. Многими исследователями  показана их пригодность для целей  биоиндикации. Они обладают весьма специфическими свойствами, так как реагируют на изменение состава атмосферы, обладают отличной от других организмов биохимией, широко распространены по разным типам субстратов, начиная со скал и кончая корой и листьями деревьев, удобны для экспозиции в загрязненных районах.

Выделяют четыре основные экологические группы лишайников: эпифитные — растущие на коре деревьев и кустарников; зпиксильные — растущие на обнаженной древесине; эпигейные— на почве; эпилитные — на камнях. Из них наиболее чувствительны к загрязнению воздуха эпифитные виды. С помощью лишайников можно получать вполне достоверные данные об уровне загрязнения воздуха. При этом можно выделить группу химических соединений и элементов, к действию которых лишайники обладают сверхповышенной чувствительностью: оксиды серы и азота, фторо- и хлороводород, а также тяжелые металлы. Многие лишайники погибают при невысоких уровнях загрязнения атмосферы эти ми веществами. Процедура определения качества воздуха с помощью лишайников носит название лихеноиндикации.

Оценку чистоты воздуха  можно проводить с помощью  высших растений. Например, голосеменные — отличные индикаторы чистоты атмосферы. Возможно также изучение мутаций  в волосках тычиночных нитей традесканции. Французские ученые подмети ли, что  при увеличении в воздухе окиси  углерода и окислов азота, выбрасываемых  двигателями внутреннего сгорания, окраска ее тычиночных нитей меняется от синей к розовой. По следствия нарушений в индивидуальном развитии растений могут быть выявлены также по частоте встречаемости морфологических отклонений (фенодевиантов), величине показателей флуктуирующей асимметрии (отклонение от совершенной билатеральной и радиальной симметрии), методом анализа сложноорганизованных комплексных структур (фрактал-анализ). Уровни любых отклонений от нормы оказываются минимальными лишь при оптимальных условиях и возрастают при любых стрессирующих воздействиях.