Биоиндикация. Использование растений в качестве биоиндикаторов

Биоиндикация. Использование растений в качестве биоиндикаторов.

В последнее время весьма актуальными являются наблюдения за изменениями состояния окружающей среды, вызванными антропогенными причинами. Система этих наблюдений и прогнозов  составляет суть экологического мониторинга. В этих целях все чаще применяется  и используется достаточно эффективный  и недорогой способ мониторинга  среды – биоиндикация, т.е. использование живых организмов для оценки состояния окружающей среды. (Н.Н. Смирнова ,1978 г.)

Последствия загрязнения  окружающей среды отражаются на внешнем  виде растений. У растений под влиянием вредных веществ происходит увеличение числа устьиц, толщины кутикулы, густоты опушения, развивается хлороз и некроз листьев, раннее опадание листвы. Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы. Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния среды. (Н.Н. Смирнова ,1978 г.)

 В настоящее время  разработана концепция комплексного  экологического мониторинга природной  среды, составной частью которого  является биологический мониторинг. Индикаторные растения могут  использоваться как для выявления  отдельных загрязнителей воздуха,  так и для оценки качественного  состояния природной среды. Обнаружив  по состоянию растений присутствие  в воздухе специфических загрязнителей,  приступают к измерению количества  этих веществ различными методами, например, испытанием растений в  лабораторных условиях. ( О.П. Мелехова, 2008)

 

На уровне вида и сообщества о состоянии природной среды  можно судить по показателям продуктивности растений. Индикаторами присутствия  сернистого газа являются лишайники  и хвойные породы, наиболее сильно страдающие от загрязнений. Во многих промышленных городах вокруг заводов возникают зоны, где лишайники вообще отсутствуют – «лишайниковые пустыни».

 

 Хвоя сосны образует  на своей поверхности тем более  толстый слой воска, чем выше  концентрация или продолжительнее  действие на нее сернистого  газа. На этом основании был  разработан метод индикации в  атмосфере сернистого газа –  «тест помутнения по Гертелю». (Н.Н. Смирнова 1978 г)

Другой признак действия двуокиси серы на растения – снижение рН содержимого клеток.

 Значительные количества SO2 выбрасываются в

атмосферу предприятиями  по обогащению металлических руд, производству черных и цветных металлов, нефтехимическими предприятиями.

Оксиды серы, осаждаясь  с атмосферными осадками, поражают растения. Наиболее быстрым и показательным является его влияние на окрашенные компоненты листьев растений.

Для выживания даже в слабо  загазованной среде в листьях  должен

существовать механизм, предотвращающий  выравнивание внешней и

внутренней концентрации SO2. Высказывается предположение  о возможности приспособления растений к SO2.

Вредное влияние на растение происходит как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия на почву. Загазованность SO2 может вызвать мутации. В физиолого-биохимических откликах на SO2 много общего с действием засухи и засоления.

Установлена прямо пропорциональная зависимость степени повреждения растений от концентрации SO2 и времени действия.

Не только по отношению  к SO2, но по и отношению к другим токсичным газам, различают повреждения  острые (катастрофические), хронические  и невидимые. При этом выделяют повреждения, выражающиеся в

депигментации, некротизации и дефолизации.

Весь комплекс экологических  факторов (температура воздуха и  почвы, влагообеспеченность, рН среды, загрязнение почв и воздуха металлами) влияет на биосинтез пигментов, изменяя окраску различных частей растения. Содержание пигментов в растении может служить наиболее информативным биоиндикатором.

Исследования, проведенные  на древесных растениях показали, что тяжелые металлы могут  накапливаться в растениях, и  по их содержанию можно оценить экологическую  обстановку территории.

 

1.Принципы организации  биологического мониторинга

Для оценки состояния окружающей среды 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.  (Н.Н. Смирнова 1978 г)

 

 Антропогенные загрязнения  действуют на живые организмы,  в самых различных сочетаниях, комплексно. Их интегральное влияние  можно оценить только по реакции  живых организмов или целых  сообществ. Многие ксенобиотики (чуждые для биосферы вещества) накапливаются в организме, и в результате длительное воздействие даже малых концентраций этих веществ вызывает патологические изменения в организме. Универсальным показателем изменения гомеостаза тест-организма является состояние стресса при попадании из «чистой» среды в «загрязненную».

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, что приводит к отклонению основных параметров организма от оптимального уровня.

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

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.

Принципом биологического мониторинга является установление оптимального — контрольного — уровня, любые отклонения от которого свидетельствуют о стрессовом воз действии.(О.П. Мелехова, 2008)

Биологические индикаторы

Биологические индикаторы- организмы, которые реагируют на изменения окружающей среды своим присутствием или отсутствием (лишайники,инфузории) изменением внешнего вида, химического состава, поведения.

Биологические индикаторы реагируют сразу на весь комплекс загрязнений. За  длительный период на листьях деревьев при загрязнении атмосферы появляются некрозы (отмирающие участки). По присутствию в экосистеме некоторых устойчивых к загрязнению видов и отсутствию неустойчивых видов (например, лишайников) определяется загрязнение атмосферы городов.

При использовании биологических индикаторов важную роль играет способность некоторых видов растений и животных аккумулировать загрязняющие окружающую среду вещества. Последствия аварии на Чернобыльской АЭС были зафиксированы в Швеции при анализе лишайников. О повышенном содержании бария и стронция в окружающей среде могут свидетельствовать береза и осина неестественно зеленым цветом листьев. Вокруг месторождений урановых руд лепестки иван-чая становятся белыми (в норме они розовые). У голубики темно-синие плоды приобретают белый цвет.

Индикаторами загрязнения  среды тяжелыми металлами являются растения из рода слива и семейства  бобовых (фасоль). При загрязнении атмосферы сернистым газом в качестве тест-объектов используют хвойные растения, при загрязнении сероводородом используют шпинат и горох.

 В качестве тест-объектов используются так называемые «живые приборы» - растения-индикаторы, помещенные в вегетационные сосуды или в специальных коробочках (мхи). Которые устанавливают в наиболее загрязненных частях города. ( О.П. Мелехова, 2008)

Специальный  раздел ботаники – индикационная геоботаника. Которая изучает возможности оценки среды по состоянию растений.

 

Особенности использования  растений в качестве биоиндикаторов

 

 С помощью растений  можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке  кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления,а так же для выявления степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Б. В. Виноградов классифицировал  индикаторные признаки растений как  флористические, физиологические, морфологические  к фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим при знакам – особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости. ( О.П. Мелехова, 2008)

 

 Очень часто в целях  биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли). ( О.П. Мелехова, 2008)

 

 Гигантизм и карликовость  многие исследователи считают  уродствами. Например, избыток в  почве меди вдвое уменьшает  размеры калифорнийского мака, а  избыток свинца приводит к  карликовости смолевки.

 В целях биоиндикации представляют интерес следующие де формации растений:

•фасциация — лентовидное  уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;

•махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;

•пролификация — прорастание цветков и соцветий;

•асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;

•редукция — обратное развитие органов растений, вырождение;

•нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;

•филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.

 

 Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состояния природной среды.

 

Биотестирование окружающей среды

 

В выявлении антропогенного загрязнения среды наряду с химико-аналитическими методами находят применение приёмы, основанные на оценке состояния отдельных  особей, подвергающихся воздействию  загрязнённой среды, а также их органов, тканей и клеток. Их применение вызвано  технической усложнённостью и ограниченностью  информации, которую могут предоставить химические методы. Кроме того, гидрохимические  и химико-аналитические методы могут  оказаться неэффективными из-за недостаточно высокой их чувствительности. Живые  организмы способны воспринимать более  высокие концентрации веществ, чем  любой аналитический датчик, в  связи с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемым техническими средствами.

Биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или накапливающегося загрязнения по индикаторным видам живых организмов и экологическим характеристикам сообществ организмов. Пристальное внимание в настоящее время уделяется приёмам биотестирования, т.е. использования в контролируемых условиях биологических объектов в качестве средства выявления суммарной токсичности среды. Биотестирование представляет собой методический приём, основанный на оценке действия фактора среды, в том числе и токсичного, на организм, его отдельную функцию или систему органов и тканей. Кроме выбора биотеста существенную роль играет выбор тест-реакции – того параметра организма, который измеряется при тестировании.  (Н.Н. Смирнова, 1978)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учебное пособие для студ. высш. учеб. Заведений/ О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева, Т.И. Евсеева и др; под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Сарапульцевой. – 2-е издание, испр. – М.:Издательский центр «Академия», 2008

 

2.Биологические методы  оценки природной среды/Под редакцией Н.Н. Смирнова – М.: издательство «Наука»,1978 г.