Биоиндикационный мониторинг

Под мониторингом в самом общем виде подразумевается система повторных наблюдений одного и более элементов природной среды во времени и пространстве с определенными целями в соответствии с разработанной программой.

По мнению Ю.А. Израэля, мониторинг включает в себя следующие основные направления:

1. Наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду.

2. Оценка и наблюдение за состоянием природной среды.

3. Прогноз состояния окружающей природной среды.

В зависимости от уровня интеграции выделяют: ландшафтный, региональный, национальный и глобальный мониторинг, каждый из которых подразделяется на: мониторинг источников; мониторинг факторов — физических, химических, биологических; мониторинг состояния природной среды — атмосферы, гидросферы, литосферы и биоты. Зависимость влияния основных антропогенных факторов на состояние биосферы, здоровье и социум представлена в табл. 14, которая позволяет проследить возможные последствия каждого из группы факторов.

8. Электромагнитными полями.

Следовательно, экологический мониторинг состоит из четырех основных блоков: физико-химических датчиков контроля окружающей среды; системы биотестов, позволяющих давать комплексную оценку состояния биосистем в зависимости от уровня их организации; социально-валиологического блока, характеризующего социальный уровень и заболеваемость населения; информационного — компьютерный сбор данных, классификация, статистическая обработка, моделирование, составление качественных и количественных прогнозов.

Естественно, что предметом нашего анализа является биологический блок, который включает полевые наблюдения, экспериментальные исследования и выделение путей и процессов биологической аккумуляции «трансформации включенных в экосистемный круговорот загрязнителей».

На первом этапе на основании фондового и картографического материала создается карта в масштабе, соответствующем задачам мониторинга. Проводится ландшафтное, геоботаническое и почвенное картирование района с выделением коренных стабильных биоценозов, деградирующих в результате интенсивной антропогенной деятельности, и биоценозов, находящихся на разных стадиях восстановительной сукцессии.

Следующий этап — выделение видов индикаторов, изменение в реакциях которых на поведенческом или аналогичном уровне очевидно и интенсивность которого может быть определена достаточно быстро с помощью экспресс-методов: билатеральная асимметрия, ловчие сети пауков-крестовиков, тератогенез растений, видовое разнообразие птиц, животных и т.д.

В зависимости от результатов предварительных исследований планируется необходимое количество биотестов, позволяющих получить систему динамических показателей, характеризующих состояние основных сред биоценозов: воздушную, наземную, почвенную и водную. Независимо от природы антропогенных факторов биотесты качества окружающей среды должны оценивать устойчивость биоценозов, популяций, видовое разнообразие, интенсивность размножения и динамику ростовых процессов.

Для оценки степени канцерогенности воздействующих факторов можно использовать частоту встречаемости онкологических заболеваний у различных групп животных и в зависимости от особенностей их обитания провести дополнительные исследования.

Рассмотрим последовательность проведения исследований по биомониторингу природной среды. В зависимости от цели мониторинга, типов загрязнения природной среды, финансовых затрат и научного потенциала коллектива определяется размер обследуемой территории. На основании ландшафтных карт и геоботанической информации определяются типы биоценозов. Проводится ранжирование биоценозов по степени их антропогенной нарушенности в рамках концепции регрессионной или восстановительной сукцессии. Выявляются доминантные, эдификаторные и исчезающие виды растений и животных. Определяется необходимый и по возможности достаточный комплекс биотестов, позволяющий оценить состояние атмосферы, гидросферы и литосферы исследуемого района в зависимости от типа антропогенных загрязнений и возможности рекультивационных мероприятий.

Определяются виды — указатели и индикаторы степени антропогенных загрязнений, с последующим определением дозы (зависимой кривой) в экспериментальных условиях. Определяется временная последовательность при использовании биотестов (сутки, месяц, год ...). Определяется площадь элементарной анализируемой пространственной ячейки.

Пространственное размещение биотестов с учетом размерности каждого биотеста и площади элементарной пространственной ячейки, с целью компактного заполнения информацией всей последовательности анализируемого пространства. Производится разделение мониторингового района по выбранной системе элементарных пространственных ячеек и заполнение их информацией биотестов. Для токсикантов, способных накапливаться в трофических цепях биоценозов: радионуклиды, тяжелые металлы и т.д., определяются коэффициенты накопления в каждом трофическом уровне в зависимости от типа биоценоза.

Оцениваются коэффициенты миграции токсикантов при биологическом переносе веществ основными группами животных. Определяются коэффициенты битрансформации загрязняющих веществ, обусловливающих повышение их токсичности в результате биохимических реакций при миграции в трофических цепях (ртуть метилртуть).

Осуществляется предварительная обработка получаемых результатов с представлением их в виде безразмерных единиц и экспертной оценкой специалистов: количественной в единой системе баллов, качественной: хорошо, плохо, удовлетворительно. Проводится статистическая обработка пространственно временной структуры данных биотестов с целью текущей оценки ситуации. Разрабатываются различного типа прогностические модели на основании полученной информации с целью вероятностного прогноза последующего развития экологической ситуации.

Экспериментальные исследования: лабораторные и полевые с целью выяснения зависимости доза биологическая реакция для отдельных антропогенных факторов при их комплексном воздействии, характерном для данной местности, например: тяжелые металлы, бифенолы, электромагнитные поля, радиация.

Экспериментальные исследования проводятся дифференцированно для биосистем различного уровня организации: микроорганизмов, растений, беспозвоночных, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и человека. В качестве объектов исследования используются, как правило, потенциальные виды-индикаторы.

Первый уровень чувствительности биообъектов к влиянию техногенных факторов проводится на рефлекторном или поведенческом уровне.

Среди растений хорошим объектом исследования является, например, мимоза, которая сокращает поверхность листовой пластинки при действии неблагоприятных факторов. Среди беспозвоночных — пауки-кругопряды, дождевые черви, которых можно вместе с почвой помещать между двумя стеклами, где они живут и перемещаются по своим ходам. При добавлении расчетной концентрации загрязняющих почву веществ происходит изменение их двигательной реакции, которую можно наблюдать визуально. Отличным объектом также являются аквариумные и речные рыбы и моллюски. Для млекопитающих разработано достаточно большое количество поведенческих лабораторных методик, позволяющих наблюдать за изменениями в их поведении при воздействии раздражающих факторов.

Вторая, наиболее чувствительная группа тестов — эмбриотропные тесты, с помощью которых возможно оценить степень влияния токсикантов на эмбриональное развитие — самый чувствительный период индивидуального развития организма. Для растений — всхожесть семян, для беспозвоночных — личиночные стадии онтогенеза, для рыб и амфибий — развитие икры, рептилии и птицы — период до выклевывания из яйца, млекопитающие — период беременности. При этом учитывается количество появившихся потомков по отношению к числу зародышей, типы аномалий развития и число особей, доживших до половозрелого возраста, пол, вес и размеры.

В связи с тем, что современные техногенные факторы в последние 40 лет приобрели хронический характер, необходимо проводить специальные исследования по хроническому влиянию загрязнителей в течение 70-80% периода онтогенеза живых организмов. Начиная с рождения, подобные биообъекты должны в экспериментальных условиях и при наличии параллельного контроля подвергаться постоянному хроническому влиянию исследуемого фактора, или совокупности доминирующих загрязнителей до старения, либо до гибели 50% подопытных объектов.

Только при хроническом влиянии факторов возможно получение достаточно полной информации с учетом критических периодов постнатального онтогенеза, в которых устойчивость организма может снижаться в несколько раз. В качестве тест-реакций необходимо использовать основные биохимические и физиологические показатели, видоспецифичные для каждой группы биосистем.

Последующий этап включает в себя изучение отрицательного влияния антропогенных факторов в ряду поколений животных. При хроническом действии факторов скрещиваются потомства в течение 10-20 поколений. Отмечают отход животных в разных возрастных группах, уродства, типы патологий и проводят генетический контроль в соматических и половых клетках животных.

Как показали исследования по влиянию слабых доз радиации, наиболее выраженные отрицательные последствия в популяции лабораторных мышей наблюдались в первом, третьем, седьмом и двенадцатом поколениях животных.

Следует также отметить, что, наряду с лабораторными экспериментальными исследованиями, достаточно часто используются эксперименты в естественных условиях. Индикаторные биообъекты помещают в загрязненные природные условия с известными количественными характеристиками воздействующих факторов и с определенной периодичностью фиксируют необходимый комплекс реакций, который сравнивается с показателями контрольной группы.

После анализа всей совокупности экспериментальных данных и наблюдений в природе выбирается группа биоиндикаторов, которая рекомендуется для использования в системе того или иного типа мониторинга.

Таким образом, научно обоснованный экологический мониторинг позволяет в динамике прослеживать степень антропогенного влияния на природную среду. Динамические ряды наблюдения по опробированной системе биотестов позволяют прогнозировать состояние исследуемых экосистем, разрабатывать оптимальные природоохранные мероприятия и обосновывать необходимые экологические санкции.

В регионах с повышенной вероятностью экологических катастроф природного и антропогенного характера экологический мониторинг окажет неоценимую помощь при прогнозировании стихийных бедствий.

Следовательно, основой комплекса специфических реакций биомониторинга является набор биотестов-индикаторов, проградуированный в экспериментальных условиях к доминирующим антропогенным факторам.

Динамика изменений биотестов-индикаторов позволяет оценивать интенсивность действующих факторов. Развитие неспецифических реакций деградации или восстановительной сукцессии основных типов биоценозов необходимо осуществлять при полевых наблюдениях на биоценотическом и популяционном уровнях.

Оптимальное комплексное использование двух методических приемов позволяет на наш взгляд, создать биомониторинг, дает возможность, прогнозировать развитие экологической ситуации и оценивать степень риска при существующих антропогенных нагрузках на природные экосистемы.

Современный экологический мониторинг должен базироваться на хорошей научно-исследовательской базе комплексного коллектива специалистов биологического института.