В основе принципа биологической диагностики почв лежит представление о том, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организмов.

Чуткими индикаторами почвенного загрязнения являются растения. Преимущества методов фитоиндикации состоят в относительно быстром получении информации, а также в том, что растительное сообщество дает комплексную оценку условий обитания, учитывающую их изменения в течение нескольких лет. Растения могут весьма чувствительно реагировать на избыточное содержание некоторых элементов, в частности, металлов, в почве. При этом может изменяться окраска листовой пластинки, наблюдаются хлорозы и некрозы. Кислотность – одно из характерных свойств почвы лесной зоны. Повышенная кислотность отрицательно сказывается на росте и развитии ряда видов растений. Это происходит из-за появления в кислых почвах вредных для растений веществ, например, растворимого алюминия или избытка марганца. Они нарушают углеводный и белковый обмен в растениях, задерживают образование генеративных органов и приводят к нарушению семенного размножения, а иногда вызывают гибель растений.

В состав почвенной биоты входят организмы, относящиеся к различным царствам живой природы (бактерии, растения, грибы, животные) и размерным группам, но большинство обитателей почвы имеют микроскопические размеры. Состояние почвенной биоты может служить индикатором техногенной нагрузки на окружающую среду. В системе экологического мониторинга могут использоваться различные показатели, отражающие состояние почвенной биоты (видовое разнообразие, численность организмов, биомасса), но предпочтение следует отдавать тем из них, которые дают максимум информации о степени техногенного воздействия при минимуме затрат.

Для оценки воздействия химических веществ на окружающую среду в системе комплексного экологического мониторинга рекомендуется использовать методы анализа состояния лесной подстилки, общего видового разнообразия почвенной биоты, обилия и соотношения численности индикаторных видов (микроорганизмов, водорослей, грибов, микро- и мезофауны).

Наиболее простым в определении, но в тоже время достаточно информативным показателем интенсивности деструкционных процессов в лесной экосистеме является мощность (толщина) лесной подстилки.

Лесная подстилка – это верхний слой почвы лесного фитоценоза, состоящий из растительного опада на разных стадиях разложения. В разложении опада принимают участие различные группы организмов – почвенная мезофауна, микроартроподы, бактерии, грибы и др. При этом крупные сапрофаги выполняют роль первичных деструкторов. Накопление подстилки – признак незавершённости биогеохимических циклов, вследствие чего снижаются продуктивность и устойчивость экосистем. Толстый слой подстилки может препятствовать развитию травяно-кустарничкового яруса и возобновлению древостоя.

Почвенные микроорганизмы. Почвенные микроорганизмы выполняют разнообразные функции в наземных экосистемах, в том числе разложение органических остатков и фиксацию атмосферного азота. Анализ состояния почвенного микробоценоза может быть осуществлён двумя путями:

1. количественным определением состава микробных сообществ по типовым (типичным) представителям микробиогеоценоза;

2. измерением интегральных параметров функционирования (почвенное дыхание, скорость разложения целлюлозы, активность азотфиксации, нитрификации и т. д.). Эти параметры более надёжны и информативны, чем прямые оценки численности.

Учет численности микроорганизмов – чрезвычайно трудоемкий метод исследования, причем общая численность – малоинформативный показатель (по причине его большой вариабельности); более информативным показателем является видовой состав, требующий высококвалифицированных специалистов. По этой причине предпочтение следует отдать методам оценки интегральных параметров функционирования почвы.

Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить суммарные биологические процессы по исходным или конечным продуктам (в частности, методы определения дыхания почвы и активности азотфиксации).

Почвенные водоросли могут быть использованы в качестве биоиндикаторов двумя основными способами:

1. изучение природных группировок, характеризующих свойства почвы и проходящие в ней процессы;

2. использование определённых видов в качестве тест-объектов при изучении текущего состояния в почвах.

Основными критериями, характеризующими водорослевые группировки, следует считать: видовой состав, доминантные виды, спектр жизненных форм, встречаемость отдельных видов, групповой состав водорослей, специфические виды или группы их.

В почвах распространены водоросли, относящиеся в основном к четырем отделам: синезеленые (Cyanophyta) – цианобактерии (Cyanobacteria), зеленые (Chlorophyta), желтозеленые (Xanthophyta), диатомовые (Bacillariophyta). Из них наиболее чувствительны к техногенному загрязнению желтозеленые водоросли.

Грибы. В наземных биогеоценозах основная масса грибов сосредоточена в почве, где их мицелий достигает общей длины 700–1000 м на 1 г почвы. Особенно много грибов в лесной подстилке. Грибы выполняют функцию разлагателей в аэробной зоне. За сутки грибы разлагают в 2–7 раз больше органического вещества, чем потребляют.

Грибы в процессе метаболизма образуют и выделяют в среду многие органические кислоты, что способствует растворению труднодоступных фосфатов и оказывает влияние на питание растений фосфором и другими элементами, которые извлекаются из минералов. Почвенные грибы способны осуществлять процесс гетеротрофной нитрификации, что имеет значение в кислых почвах, где автотрофная нитрификация отсутствует. Индикационное значение имеет биомасса грибов в почве, которую можно определять методами прямого учета.

Организмами–пионерами биоценозов техногенных ландшафтов являются раковинные амебы. Количество раковинных амеб на фоновых участках на порядок выше по сравнению с зонами интенсивного загрязнения.

Ресничные инфузории (кольпидиум кольпида) – показатель присутствия свежих сточных вод.

Дождевые черви, например, вид Nicodrilus caliglnosus, может быть использован как тест объект при токсикологических исследованиях.

Нематоды. Микроскопические круглые черви почвы. Даниленко Д. Г. (2001) отмечает, что для биоиндикации и биотестирования состояния наземных экосистем в регионе тайги перспективно использовать представителей класса Nematoda. Они обильны, а также экологически разнообразны. Из-за своей водопроницаемой кутикулы они находятся в прямой связи с качеством растворов в капиллярах почвы. Не так сложна технология их отбора и идентификации. Простой метод определения состояния экосистем по нематодам:

1. показатели биоразнообразия сообщества нематод;

2. индекс зрелости сообщества нематод, используемые в совокупности.

Для индикации перспективны беспозвоночные животные классов Ракообразные, Паукообразные, Многоножки и Насекомые. Из позвоночных – Птицы, Млекопитающие (Мышевидные грызуны).

Почвенную мезофауну анализируют на уровне сообществ. Традиционными показателями служат: общая плотность населения (биомасса), видовое (групповое) разнообразие, параметры видовой структуры (доля дождевых червей, сапрофагов, зоофагов и т. д.), вертикальное распределение, доля так называемых эвритопных видов, способных обитать на различных участках экосистем.

Наиболее чувствительной группой оказываются дождевые черви и другие крупные сапрофаги. Ответными реакциями населения почвенных беспозвоночных на разные виды загрязнения являются следующие:

1) уменьшение общего обилия (плотности особей и биомассы);

2) снижение видового разнообразия;

3) возрастание роли эвритопных видов;

4) увеличение пространственной неоднородности и смещение плотности популяций в более нижние горизонты почвы;

5) изменение трофической структуры в сторону уменьшения доли сапрофагов и увеличения доли фитофагов.

Загрязненность почвы можно определять с помощью методов биотестирования. Существует два методических подхода для определения токсичности почв. Для экспресс-диагностики используют водные экстракты, содержащие водорастворимые фракции почв. В этом случае биотестирование выполняют на традиционных для водной токсикологии тест-объектах – ракообразных, инфузориях, водорослях. При необходимости исследовать фитотоксические свойства почв в качестве тест-объектов используют семена культурных растений – овса, ячменя, кресс-салата и др.

Биоиндикация и биотестирование качества атмосферы

Наибольшее распространение при оценке состояния воздушной среды получил в настоящее время метод лихеноиндикации. Во-первых, в силу того, что лишайники представляют собой симбиотическую ассоциацию гриба и водорослей, любое воздействие, которое изменяет баланс взаимодействия между симбионтами, будет влиять на их жизнеспособность. Кроме того, лишайники поглощают аэрозоли и газы всей поверхностью талломов, что также повышает их чувствительность к загрязнению, а периодически происходящая дегидратация талломов, позволяющая переживать лишайникам периоды засухи, приводит к росту концентрации загрязняющих веществ в талломах до высоких уровней.

Основные причины, обусловливающие малую устойчивость лишайников и их группировок к атмосферному загрязнению следующие:

1. высокая чувствительность водорослевого компонента лишайников, пигменты которого под действием загрязнителей быстро разрушаются;

2. отсутствие защитных покровов и связанное с этим беспрепятственное поглощение газов слоевищами лишайников;

3. строгие требования к кислотности субстрата, изменение которой сверх определенного предела влечет гибель лишайников.

При применении этого индикатора следует пользоваться шкалой устойчивости конкретного вида к загрязнителю. Шкала реакции лишайников на поллютанты ( для условий Северного Кавказа и Предкавказья), разработанная С.Б.Криворотовым (С.Б.Криворотов,1995), выделяет 4 типа этих организмов из 127 видов:

• 1 тип - устойчивые к загрязнению лишайники (25);

• 2 тип - чувствительные к действию атмосферного загрязнения (42);

• 3 тип - очень чувствительные к загрязнению виды (23);

• 4 тип - не переносящие загрязнения лишайники (37).

Как и большинство биологических методов оценки состояния окружающей среды, лихеноиндикация не может различить конкретные вредные вещества, загрязняющие атмосферный воздух, но зато позволяет выделить территории, подверженные воздействию загрязненного воздуха. Для выделения таких неблагополучных территорий иногда бывает достаточно даже неполного, без видовой идентификации, описания лишайников по их разнообразию и обилию на единице площади в данном массиве.

Главным недостатком лихеноиндикации является то, что она позволяет сделать заключение о качестве воздуха только применительно к тому периоду, в течение которого сложилась наблюдаемое сообщество лишайников (т.е. не в момент наблюдения). Это обстоятельство чрезвычайно важно, т.к. лишайники могли сохраниться в их неизменном (по внешним признакам) виде многие десятки лет.

Показателем комплексного загрязнения воздушной среды может служить также сосна обыкновенная (по определению классов повреждения и усыхания, а также продолжительности жизни хвои). Данный метод позволяет выделить 6 градаций степени загрязненности воздуха: от 1 - идеально чистого, до 6 - очень грязного.

Под влиянием ухудшения качества атмосферного воздуха у отдельных особей или групп некоторых растений отмечаются различные изменения: необычная окраска листвы, опадение листвы, изменение формы роста ,плотности популяции, ареала вида и т.д. Наблюдая эти изменения, можно констатировать избыточное присутствие в атмосфере какого-либо газа.

Длительное загрязнение атмосферного воздуха на обширных пространствах сопровождается повреждением лесных крупных массивов, которое принято называть «гибелью лесов» в результате их осветления или «дефолиации» - изреживания кроны вследствие частичной или полной потери листвы (хвои), как правило, в зеленом состоянии. Признаки повреждения у каждого вида деревьев проявляются по-своему. Например, для ели характерен синдром плакучести - вяло обвисающие вниз ветви, потерявшие большую часть прошлогодней хвои, выступление смолы на ветвях и стволах в охвоенной области кроны. Для пихты характерно образование так называемого «гнезда аиста»: форма кроны, напоминающая гнездо - разветвление без центрального побега; иногда образуются водяные побеги, пучкообразно торчащие от ствола новые побеги, замедляется рост в высоту. При описании дефолиации надо обращать внимание на положение каждого дерева в лесном пологе (социальный статус) и на типы крон и ветвей изучаемых деревьев.