Введение
В последние годы в различных областях промышленности возникает все большая потребность в проведении разнообразных биологических тестов, связанная с нарастанием экологических проблем, а также с ростом использования биологических объектов в практике.
Заметно возросший интерес к биоиндикационным исследованиям в значительной мере обусловлен потребностями практики, и, прежде всего, необходимостью совершенствовать систему экологического контроля. Выявление надежных и адекватных методов оценки экологического качества окружающей среды стало особенно актуальным в связи с масштабными биоэкологическими и социально-техническими изменениями на Земле (климатическими колебаниями, инвазиями видов, транспортными потоками, электромагнитными излучениями и др.). Глобальная деградация природы в большей степени обусловлена запредельным загрязнением почвы. Разные формы воздействия человека на природные комплексы (расширение площадей сельскохозяйственных угодий, урбанизация, развитие промышленности и транспортных сетей) приводят к преобразованию биотопов и интенсивному насыщению ксенобиотиками.
Биологические методы контроля в ряде ситуаций, позволяют быстро оценивать качество окружающей среды и наличие некоторых загрязнений, не обнаруживаемых химическими методами. К биологическим методам контроля относятся биоиндикация и биотестирование. (О.А. Ляшенко, 2012)
Биологические методы имеют над аналитическими методами ряд преимуществ: они достаточно просты в использовании, быстры в определении результатов и сравнительно не дороги. (Баева Ю.И. и др, 2016).
Глава 1 Биоиндикация и биотестирование
Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.
Биоиндикация (bioindication) — обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.
Биоиндикаторы (от био и лат. indico — указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы — условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью. (Еремеева А. С. И др, 2015).
Биоиндикация - это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений.
Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. (Мелехова О.П. и др., 2010).
Существует два основных вида биоиндикации: пассивная и активная.
Пассивная биоиндикация - исследование у свободноживущих организмов видимых или незаметных повреждений и отклонений от нормы, являющихся признаками неблагоприятного воздействия.
Активная биоиндикация или биотестирование - исследование тех же воздействий в стандартных условиях на наиболее чувствительные к данному фактору тест-организмы. Биотестирование (bioassay) — процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания). (Еремеева А. С. И др, 2015).
Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:
· в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;
· суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;
· исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;
· фиксируют скорость происходящих изменений;
· вскрывают тенденции развития природной среды;
· указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;
· позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие. (Ляшенко О.А., 2012)
Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации — специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.
В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.
В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:
· быть типичным для данных условий;
· иметь высокую численность в исследуемом экотопе;
· обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения;
· находиться в условиях, удобных для отбора проб;
· давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;
· характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;
· использоваться в естественных условиях его существования;
· иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.
Ответная реакция биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.