Методы контроля при биоиндикации

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

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

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

3. 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 или из художественных произведений прошлого.

Особенности биоиндикации на разных уровнях организации живого

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: на уровне биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций (пространственная группировка особей одного вида), на уровне сообществ, экосистем и биосферы в целом.

На низших уровнях биоиндикации возможны прямые и специфические формы биоиндикации, на высших – лишь косвенные и неспецифические формы. Однако, именно последние дают комплексную оценку влияния антропогенных воздействий на природу в целом.

Клеточный и субклеточный уровни

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинство заключается в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации загрязнителей, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. К числу недостатков относится то, что биоиндикаторы – клетки и молекулы – требуют сложной аппаратуры.

Результаты действия загрязнителей следующие:

• нарушение биомембран (особенно их проницаемости);

• изменение концентрации и активности макромолекул (ферментов, белков, аминокислот, жиров, углеводов);

• аккумуляция вредных веществ;

• нарушение физиологических процессов в клетке (метаболических процессов);

• изменение размеров клеток.

Организменный уровень биоиндикации

Еще в древности некоторые виды растений использовали для поиска руд и других полезных ископаемых. Повреждения растений дымом были отмечены еще в середине XIX века вокруг садовых фабрик Англии и Бельгии.

Преимущество биоиндикации на этом уровне - небольшие затраты труда и относительная дешевизна, поскольку не требуется специальная лаборатория и высокая квалификация персонала.

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используют при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод, степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски листьев, различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

При этом следует заметить, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван как недостатком железа в почве, так и ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать действие других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма (связанные с действием загрязняющего вещества) без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида начинают проявляться различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и в конечном счете, снижении продуктивности.

Индикаторные признаки растений классифицируют на 4 вида:

• флористические;

• физиологические;

• морфологические;

• фитоценотические.

Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшегося вследствие определенных экологических условий, в сравнении с другими участками с иными экологическими условиями. При этом индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида.

К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ у растений.

К анатомо-морфологическим признакам относятся особенности внутреннего и внешнего строения различного рода аномалий развития и появление новообразований.

Фитоценотические признаки – особенности структуры растительного покрова, в частности и рассеянность вида.

Рассмотрим более детально морфологические изменения растений и причины их вызывающие:

• изменение окраски листев. Причины и виды изменения окраски:

• хлороз – бледная окраска листьев между жилками; отмечается при избытке в почве тяжелых металлов и газодымовом загрязнении воздуха;

• пожелтение участков листьев. Характерно для лиственных деревьев при засолении почвы хлоридами;

• покраснение – возникает под действием сернистого газа;

• побурение или побронзовение. Часто означает начальную стадию некротических повреждений;

• листья как бы пропитаны водой (как при морозных повреждениях). Возникает под действием ряда окислителей, например, при действии пероксиацетилнитрата;

• серебристая окраска листьев возникает под действием озона, в частности на листьях табака.

• некрозы – отмирание участков ткани листа, иногда в специфической форме. Бывают:

• точечные и пятнистые. Например, у табака при действии озона серебристого цвета;

• межжилковые – некроз тканей между боковыми жилками. Возникает под действием SO₂;

• краевые. Например, на листьях липы под действием соли (NaCl), которой зимой посыпают улицы;

• «рыбий скелет» - сочетание межжилковых и краевых некрозов;

• верхушечные некрозы. Например, у хвойных растений хвоинки становятся на вершине бурыми.

• преждевременное увядание. Например, под действием этилена в теплицах не раскрываются цветки у гвоздики, увядают лепестки орхидей. Сернистый газ вызывает увядание листьев малины;

• дефолиация – опадание листвы. Обычно наблюдается после некрозов и хлорозов. Например, осыпание хвои у ели и сосны при газодымовом загрязнении воздуха, а у лип и конских каштанов – от соли для таяния льда, у крыжовника и смородины – под действием сернистого газа;

• изменение размеров органов. Как правило, это проявление неспецифично. Например, хвоя сосны вблизи заводов по производству удобрений удлиняется от нитратов и укорачивается от SO₂, у ягодных кустарников дым вызывает уменьшение размеров листьев;

• изменение формы, количества и положения органов. Аномальную форму листьев отмечали после радиоактивного облучения. В результате локально возникающих некрозов происходит вздувание или искривление листьев, сращивание или расщепление отдельных органов, увеличение или уменьшение частей цветка;

• изменение плодовитости. Обнаружено у многих растений. Например, уменьшается образование плодовых тел у грибов, снижается продуктивность у черники и ели.