Лекция 2: Биоиндикация окружающей среды
Биоиндикация – это определение биологически и экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций растений, животных и их сообществ непосредственно в среде их обитания «Экосистема – это слово означает дом и его обитателей. … Система индикации опасности загрязнения нужна экосистеме в той же мере, как любому дому необходим датчик пожарной сигнализации» H. N. B. Gopalan (1999)
Немного истории Теофраст (III век до н. э. ) “Природа растений” как по характеру растительности судить о свойствах земель Плиний Старший (I в н. э. ) “Естественная история” – энциклопедия природных и искусственных предметов и явлений Колумелл (I в до н. э. ): «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти» Титульный лист издания 1669 года Ландшафтная биоиндикация Биоиндикация водных экосистем
1. Экологические основы биоиндикации Каждый организм обладает в отношении любого действующего на него фактора физиологическим диапазоном толерантности, в пределах которого этот фактор является для него переносимым
Диапазон толерантности неодинаков для разных организмов в одной и той же популяции и меняется в онтогенезе Индивидуальная чувствительность Онтогенетическая чувствительность Дрозофила: LD 50 в зависимости от стадий развития меняется от 2 до 950 Гр
Стенопотентные виды (стенобионты) – узкий диапазон толерантности Эврипотентные виды (эврибионты) - широкий диапазон толерантности Пределы толерантности стенотермных и эвритермных организмов Устойчивость к ИИ – от 1, 5 Гр у млекопитающих до почти 8500 Гр у бактериофагов и вирусов Micrococcus radiodurance в 25 раз устойчивее, чем Micrococcus sodensis Deinococcus radiodurans способен выживать при дозе до 10000 Гр
Если фактор выходит за границы «зоны комфорта» ответная реакция организма Биоиндикация Интенсивность и длительность ответной реакции – показатель индикаторной ценности организма Как оценить значимость отклонений?
Для количественной оценки значимости отклонений необходимы калибровочные стандарты (контрольные уровни) А) сравнение с показателями биологической системы, свободной от воздействий Б) сравнение с биологическими системами прошлого, не подвергавшимися воздействию В) построение градиента изменений одного и того же объекта, позволяющее сделать аппроксимацию на «нулевой» момент времени
Специфическая биоиндикация - происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора Неспецифическая биоиндикация - различные факторы вызывают одинаковые реакции
Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением показателей от нормального уровня ранняя биоиндикация (биохимические, физиологические реакции) Кумулятивные биоиндикаторы накапливают воздействие до некоторого порогового уровня без каких-либо видимых эффектов, но при превышении порога демонстрируют реакцию биоценотические реакции
Прямая и косвенная биоиндикация прямая биоиндикация – фактор действует непосредственно на биологический элемент косвенная биоиндикация – опосредованная реакция через другой биологический элемент Дихлорпропионовая кислота Доля злаков ↓ с 55 до 12 % Доля разнотравья ↑ Прямая БИ Изменение состава насекомых-консументов Косвенная БИ
2. Биоиндикаторы и требования к ним Биондикаторы – организмы или их сообщества, жизненные функции которых так тесно связаны с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки Преимущества «живых» индикаторов: • Интеграция воздействий (БИ суммируют влияние всех биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом); • Кумулятивный эффект – чувствительность к слабым воздействиям; • Выявление «критических точек» (пути и места скопления в экологических системах поллютантов, возможные пути их попадания в пищу человека); • Простота методов (на первоначальном (скрининговом) этапе регистрация химических и физических параметров среды необязательна)
Требования к биоиндикаторам 1 Высокая чувствительность 2 Информативность Меры информативности: сигнал/шум или (сигнал-шум) Генетические тест-системы, характеризующиеся низким уровнем спонтанного мутагенеза, имеют высокую информативность и могут быть использованы для анализа биологических эффектов низких доз и концентраций Ограничение в численности природных популяций + информационный шум = невыявляемость эффекта 3 Технологичность • • • 4 Типичность для экосистемы Эврибионты? 5 Высокая численность Эдификаторы, доминирующие виды 6 Длительное обитание в одном месте • • 7 «Дозовая» зависимость Корреляция между уровнями загрязняющих веществ в природной среде и в объекте исследований 8 Короткий период онтогенеза Эффект в поколениях 9 Принцип комплексности тестов наличие тест-систем, позволяющих одновременно регистрировать разные по механизмам возникновения биологические эффекты биохимические, мутагенные, токсические, тератогенные 10 Идентификация действующих факторов • какой фактор действует? • сочетанное действие - какова значимость каждого фактора и его вклад? несложная процедура отбора проб четкая ответная реакция легко регистрировать визуально или с помощью приборов динамика загрязнения и эффектов кумулятивный эффект
Сосна обыкновенная Частота аберрантных клеток в корневой меристеме проростков семян
Спектр аберраций
Распределение аберраций по клеткам Клетки эмбрионов Gammarus olivii Число клеток с АХ, % Число клеток с числом 2 аберраций 0 1 2 3 Пуассон Гаусс контроль 1. 08 0. 18 11 МБк/л 137 Cs 5. 3 1. 05 611 31 1 0 0. 05 0. 20 Ацетат свинца, 1 мг/л 4. 3 1. 13 546 24 4 0 14. 13* 4. 85 137 Cs + ацетат свинца 6. 0 0. 75 533 29 5 1 17. 06* 6. 38 Внешнее -облучение, 3 Гр 11. 0 1. 51 740 90 4 0 0. 34 3. 92 Ацетат свинца, 1 мг/л 4. 8 0. 62 926 38 5 0 15. 14* 5. 18 Внешнее -облучение, 3 Гр + ацетат свинца 12. 4 1. 14 720 94 5 1 1. 83 3. 60 Eulimnogammarus viridis Поликарпов Г. Г. , Цыцугина В. Г. Закономерности распределения аберраций хромосом по клеткам гидробионтов при действии ионизирующего излучения и химических мутагенов среды // Радиобиология. 1993. Т. 33. Вып. 2. С. 205 -213.
3. Особенности использования растений, животных и микроорганизмов в качестве биоиндикаторов
Особенности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов Преимущества: • Быстрая реакция на изменение среды • Прямая связь активности и состояния с составом органических и неорганических веществ в среде • Простая организация • Хорошо изучены генетически Дрожжи, E. coli, Salmonella (тест Эймса) • Быстрая смена поколений → отдаленные наследственные эффекты амебы - феномен индуцированной наследуемой нестабильности генома • Возможность популяционных исследований Chlorella vulgaris, ВУРС - микроэволюция в популяциях
Методы учета: • Концентрирование проб (фильтры) • Выращивание на питательных средах Показатели: микробное число – число клеток аэробных сапрофитных организмов в 1 мл воды ГОСТ - < 100 для водопроводной воды Чистые водоемы – ~ 101 -102 Загрязненные водоемы - ~ 105 -106 видовой состав Нитчатые бактерии в полисапробных водоемах Коли-индекс (Escherichia coli) при загрязнении вод фекалиями
Недостатки • сложность экстраполяции на эукариотические организмы принципиальные различия в организации генома и метаболизме • принципиальная невозможность индикации кластогенных и канцерогенных эффектов; • невозможность прямой оценки образцов почвы и воздуха • необходимость экстракции (или разбавления) и связанные с этим проблемы в интерпретации и экстраполяции • большинство бактериальных тестов основано на мутантных линиях, специфичных к определенным средам → невозможно использовать для оценки смесей неизвестного состава
Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред Почвы • механический состав • кислотный состав • плодородие • увлажнение • засоление • минерализация грунтовых вод Воздух • загрязнения газообразными соединениями Вода • трофические свойства водоемов • степень загрязнения Уровни индикации • • • отдельные растения популяции фитоценоз
Индикаторные признаки растений • флористические различия состава растительности изучаемых участков индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида • физиологические особенности обмена веществ растений • анатомо-морфологические особенности внутреннего и внешнего строения аномалии развития • фитоценотические особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости Ценотическая значимость вида а) эдификаторы б) доминанты в) ассекаторы г) редкие виды
Преимущества: • Есть в любой экосистеме • Как основные продуценты, растения в числе первых испытывают воздействие • Прикрепленный образ жизни → характеристика локальной среды обитания (неравномерность загрязнения) • Меристемы – высокая чувствительность к внешним воздействиям (аналогична критическим органам млекопитающих) • Меньшая интегрированность органов → более прямая реакция, чем у животных • Большие выборки с идентичным генотипом (снятие генотипической компоненты дисперсии) - вегетативное размножение в лаборатории (клоны традесканции) • Концентрирование ЗВ из окружающей среды → повышение чувствительности и информативности тест -систем • Могут использоваться в широком диапазоне условий • Существует много тест-систем на разных уровнях биологической организации • Большая численность потомства, высокие темпы развития → изучение наследственных эффектов • Методики детально отработаны, стандартизованы, недороги. Спец. подготовка персонала не требуются → технологичность
Требования при выборе биоиндикаторов из природных популяций • возможность существования в широком диапазоне экологических условий • легкость идентификации в природе • высокая численность и распространенность • быстрая реакция на антропогенные воздействия • высокая чувствительность при низкой индивидуальной изменчивости • возможность регистрации разных по механизмам формирования биологических эффектов (мутагенных, токсических, тератогенных) на одном тест-объекте • оперативность получения информации Ограничения • жизненный цикл растений длиннее, чем у бактерий, дрожжей, дрозофилы • фармакокинетические и биохимические различия между растениями и млекопитающими → отсутствует чувствительность к некоторым классам промутагенов (нитрозамины, гетероциклические амины и полициклические ароматические гидрокарбонаты)
Особенности использования животных в качестве биоиндикаторов Преимущества: Оценка и прогнозирование состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях биологической организации • морфо-анатомические показатели особенности внешнего и внутреннего строения – пигментация, уродства, опухоли • физиологобиохимические показатели дыхание, работа сердца, скорость пищеварения • • Модель «мышь-человек» принята международными научными организациями как основная при оценке генетического и канцерогенного риска облучения • животные, особенно млекопитающие, более чувствительны, чем растения и микроорганизмы • аккумулируют загрязняющие вещества через пищевые цепи Консументы → разные трофические уровни • активный обмен веществ → быстрое проявление ответной реакции • тропность тканей и органов к определенным ЗВ Sr - в скелете, Cs – в крови, I – в щитовидке • широкий набор тестов на уровне тканей, органов и т. д. • короткий цикл развития и многочисленное потомство у ряда животных → длительные наблюдения + эффект в поколениях. поведенческие Избегание Циклы размножения физиологическая близость человеку
Недостатки • сложность обнаружения и поимки в природе • • дороговизна исследований (↓ технологичность) не всегда возможно обеспечить достаточную повторяемость опытов → проблема статистической надежности результатов Критерии пригодности для биоиндикационных исследований • оседлость или незначительные миграции • широкий ареал распространения эндемики не подходят для биоиндикации • принадлежность к естественным сообществам использовать синантропные виды, питающиеся вблизи человека, нельзя, т. к. они неверно характеризуют состав загрязнения региона • достаточная численность вида для отбора проб • при использовании набора видовбиоиндикаторов – их принадлежность к разным звеньям трофической цепи • простота и доступность методов
Содержание металлтионенионов в органах моллюсков беззубок (Anodonto sp. ) мантия почки Водные моллюски природные фильтраты и накопители жабры печень коэффициенты накопления радионуклидов и ТМ могут достигать десятков тысяч перспективный тест-объект при биомониторинге антропогенного загрязнения водоемов 1 – контроль; 3 – 0. 2 мг/л Cd. Cl 2; 2 – 1 мг/л Cd. Cl 2
Почвенные животные (например, дождевые черви) – перспективный тест-объект для биоиндикации техногенного загрязнения и анализа проблемы неэквидозности воздействия Соотношение эффективных доз облучения человека и дождевых червей, находящихся в идентичных условиях радиоактивного загрязнения Дождевые черви Человек Брянская обл. , 264 Ки/км 2, 1997 -199 гг. 0. 05 Гр за 7 мес 2. 64 Гр за 7 мес с. Копачи (3 км от ЧАЭС), 1986 г. 0. 19 Гр за 7 мес 10 Гр за 7 мес Зоны с повышенным содержанием ТЕРН в почве (Коми): ТЕРН в большинстве своем -излучатели, поэтому доза на мезофауну значительно превосходит дозу на наземных обитателей
Экологические основы биоиндикации и ее виды Биоиндикаторы и требования к ним Особенности использования разных организмов в качестве биоиндикаторов ДЗ
Рекомендуемая литература к курсу «МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ» Основная литература 1. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотетирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений, О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др. ; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. – М. : Издательский центр «Академия» , 2007. – 288 с. (50 экз. ) 2. Биологический контроль окружающей среды: генетический мониторинг: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений, О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др. ; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. – М. : Издательский центр «Академия» , 2007. – 288 с. (50 экз. ) 3. Экологический мониторинг: Учебно-метод пособ. для вузов /Т. Я. Ашихмина. – М. : Академический проект, 2005. – 416 с. (20 экз. ) 4. Пяткова С. В. , Горшкова Т. А. , Сынзыныс Б. И. Экосистемное нормирование: Учебное пособие по курсам «Общая экология» , «Техногенные системы и экологический риск» . – Обнинск: ИАТЭ, 2007. – 75 с. (50 экз. ) 5. Егорова Е. И. , Белолипецкая В. И. Биотестирование и биоиндикация окружающей среды: Учебное пособие по курсу «Биологический мониторинг» для студентов специальности 013100. – Обнинск: ИАТЭ, 2000. – 80 с. (200 экз. ) 6. Егорова Е. И. Исследование природных вод и почв методами биотестирования. – Обнинск: ИАТЭ, 2003. – 52 с. (50 экз. ) Дополнительная литература: 1. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - М. : Гидрометиздат, 1984 2. Криволуцкий Р. А. Биоиндикация радиоактивных загрязнений. - М. : наука, 1999. -384 с. 3. Лекции школы по радиационной биологии /Ред. А. С. Саенко. – Обнинск, МРНЦ РАМН, 2003. – 205 с. 4. Биология: Большой энциклопедический словарь /под ред. Гилярова М. С. – М. : Большая Российская энциклопедия, 1999. - 864 с. 5. Агроэкология: учеб. для вузов /. А. Черников, Р. М. Алексахин, В. М. Голубев. – М. : колос, 2000. – 536 с. 6. Бударков В. А. Краткий радиоэкологический словарь /ред. В. А. Бударков. – Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 1998. – 256 с. 7. Евсеева Т. И. Сочетанное действие факторов радиационной и нерадиационной природы на традесканцию/ Т. И. Евсеева, С. А. Гераськин. –Екатеринбург: УРО РАН, 2001. – 156 с. 8. Лебедева Н. В. Биологическое разнообразие: учеб. пособие для вузов. –М. : Владос, 2004. – 432 с. 9. Хоружая Т. А. Оценка экологической опасности: Учебное пособие для вузов/ Т. А. Хоружая. – М. : Книга сервис, 2002. – 208 с. 10. Эколого-генетический анализ отдаленных последствий Тоцкого ядерного взрыва в Оренбургской области/ред. А. Г. Васильев. – Екатеринбург, 1997. – 192 с. 11. Бязров Л. Г. Лишайники в экологическом мониторинге: монография / Под ред. Д. А. Криволуцкого. – М. : Научный мир, 2002. – 336 с. 12. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта – М. : Мир, 1988. – 350 с. 13. Биотест: интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов / Под ред. В. М. Захарова, Д. М. Кларк. – М. , 1993. – 68 с. 14. Бурдин К. С. Основы биологического мониторинга. Издательство Москов-ского университета, 1985. 158 с. 15. Периодические издания: Экология Радиационная биология и радиоэкология; Экологический вестник России; Экология и промышленность России; Проблемы региональной экологии; Токсикологический вестник.
Скачать презентацию Лекция 2 Биоиндикация окружающей среды Биоиндикация
L2_2011_Bioindikatsia.pptx