Лекция 3: Биоиндикация окружающей среды – II
1. Экологические основы биоиндикации и ее виды • Диапазон толерантности • Калибровочные стандарты • Специфическая и неспецифическая биоиндикация • Прямая и косвенная биоиндикация • Чувствительные и кумулятивные биоиндикаторы 2. Биоиндикаторы и требования к ним • Чувствительность • Информативность • Технологичность • Типичность • Высокая численность • Эффект в поколениях • Дозовая зависимость • Специфичность • Несколько тест-систем • …
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 Кишечная палочка E. coli Клетки дрожжей под микроскопом
Тест Эймса Salmonella sp. Генетический тест с использованием бактерий Salmonella. Typhimurium в качестве тест объекта Предназначен для оценки мутагенного потенциала химических соединений Положительный результат означает, что химическое вещество может обладать канцерогенными свойствами
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 • Быстрая смена поколений эффекты → отдаленные наследственные
Радиационно-индуцированная нестабильность генома
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 • Быстрая смена поколений наследственные эффекты → отдаленные • Возможность популяционных исследований
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
Преимущества Есть в любой экосистеме Как основные продуценты, растения в числе первых испытывают воздействие
Преимущества Прикрепленный образ жизни → характеристика локальной среды обитания (неравномерность загрязнения) Радиоактивное загрязнение после Чернобыльской аварии, 1986 г. Карта засветки Московской области (световое загрязнение неба)
Преимущества Меристемы – высокая чувствительность к внешним воздействиям (аналогична критическим органам млекопитающих) 2 Апикальная меристема в верхушечной почке побега элодеи Апикальная меристема в кончике корня 1 – чехлик 2 – апикальная меристема
Преимущества Большие выборки Статистическая обеспеченность Изучение наследственных эффектов ТАБАК — NICOTIANA TABACUM 1 растение – до миллиона семян • Вегетативное размножение Статистическая обеспеченность Снятие индивидуальных различий Greenhouse facility in Centro de Estudios Academicos subre Contaminacion Anbiental, Universidad Autonoma de Qurertaro, Mexico
Преимущества Комплексность тестов - много тест-систем на разных уровнях биологической организации Соматические мутации Микроядра
Преимущества Меньшая интегрированность органов → более прямая реакция, чем у животных Концентрирование загрязняющих веществ из окружающей среды → повышение чувствительности и информативности тест-систем Могут использоваться в широком диапазоне условий 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 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 Оценка и прогнозирование состояния природной среды с привлечением животных проводятся на всех уровнях биологической организации Показатели морфо-анатомические физиолого-биохимические поведенческие
Преимущества • физиологическая близость человеку 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.
Критерии пригодности для биоиндикационных исследований Недостатки сложность обнаружения и • • оседлость или незначительные миграции дороговизна исследований • поимки в природе (↓ технологичность) не всегда возможно обеспечить достаточную повторяемость опытов → проблема статистической надежности результатов широкий ареал распространения эндемики не подходят для биоиндикации • принадлежность к естественным сообществам синантропные виды не подходят для биоиндикации • 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 коэффициенты накопления радионуклидов и ТМ могут достигать десятков тысяч перспективный тест-объект при биомониторинге антропогенного загрязнения водоемов жабры печень 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 Человек Дождевые черви с. Копачи (3 км от ЧАЭС), 1986 г. 0. 19 Гр 10 Гр Брянская обл. , 264 Ки/км 2, 1997 -1999 гг. 0. 05 Гр 2. 64 Гр Дозы оценены 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
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 3 Биоиндикация окружающей среды II
L3_2011_Osobennosti_ispolzovania.pptx