Семенова И.И. Экологический мониторинг

работки данных, позволяющие однозначно интерпретировать результаты. В на- стоящее время уже очевидно, что количественные методы анализа не только предпочтительнее традиционных описательных, но необходимы для получения информативных и объективных результатов.

Система медико-экологического мониторинга напрямую связана с меди- цинской географией, а в современных реалиях и с геоинформационными систе- мами (ГИС), т.е. с привязкой медико-географических данных к цифровым моде- лям карт. На государственном уровне возникла необходимость организовать цельную систему, которая позволила бы объединить в себе параметры окру- жающей среды и показатели здоровья населения, проанализировать и предста- вить лицам, принимающим управленческие решения, возможные варианты со- вершенствования системы. Цель такой сложной системы очевидна и проста – это улучшение состояния человеческого здоровья путем снижения влияния не- гативных факторов окружающей среды.

Медико-экологический мониторинг по сути является особой разновидно- стью биологического мониторинга, объектом которого является человек. Сис- тема включает в себя:

1.Контроль качества атмосферного воздуха. Загрязнение воздушного бассейна Чувашской Республики связано, в основном, с увеличением количест- ва единиц транспорта и работой промышленных и энергетических предприятий. Всего в 2011г. было отобрано и проанализировано 18963 пробы. Средняя годо- вая концентрация взвешенных веществ в г.Чебоксары составила 1,33 ПДК. Среднегодовая концентрация формальдегида составила 5,33 ПДК. В Чебоксарах отмечается тенденция к росту уровня загрязнения воздуха взвешенных веществ, фенолом, формальдегидом, к снижению – диоксидом серы, оксидом углерода. Содержание в воздухе растворимых сульфатов, диоксидов азота и оксидов азота оставется стабильным.

2.Мониторинг водной среды. Качество питьевой воды, потребляемой жи- телями города, по химическим показателям в основном соответствует ГОСТу. Минеральный состав воды находится в пределах ПДК, за исключением железа, содержание которого несколько выше. Интенсивное хлорирование питьевой во- ды особой опасности для здоровья не представляет, особенно при ее отстаива- нии или кипячении. Но при периодическом поступлении в водохранилища фе- нолов они вступают в химическую реакцию с хлором. При этом происходит их конденсация с образованием диоксинов, что даже при незначительных концен- трациях усиливает тенденцию к заболеванию раком. Ухудшение показателей приводит к росту показателей заболеваемости, особенно в летний период. В Чу- вашии действует республиканская целевая программа «Обеспечение населения Чувашской Республики качественной питьевой водой на 2009–2020 годы» .

3.Мониторинг почвы. Морфология зон загрязнения часто определяется метеорологическими и орографическими условиями. Большинство аномалий имеет форму овалов, ориентированных длинной осью в меридиональном и суб- меридиональном направлениях. Такая конфигурация обусловлена рельефообра- зующими факторами и отражает господствующее направление ветров.

71

чески не реализовано. Больших успехов достигли исследователи биоиндикато- ров гидросферы.

Зависимость жизнедеятельности организмов от концентрации мине-

ральных солей. В естественных водах концентрация минеральных солей раз- лична. В пресной воде максимальное содержание растворенных веществ равно 0,5 г/л. В морской воде среднее содержание растворенных солей 35 г/л. В соло- новатых водах этот показатель очень изменчив. Соленость обычно выражается в промиллях (‰) и является одной из основных характеристик водных масс, рас- пределения морских организмов, элементов морских течений и т.д. Особую роль она играет в формировании биологической продуктивности морей и океанов, т.к. многие организмы очень восприимчивы к незначительным ее изменениям. Многие виды животных являются целиком морскими (многие виды рыб, беспо- звоночных и млекопитающих).

В солоноватых водах обитают виды, способные переносить повышенную соленость. В эстуариях, где соленость ниже 3 ‰, морская фауна беднее. В Бал- тийском море, соленость которого составляет 4 ‰, встречаются балянусы, коль- чецы, а также коловратки и гидроиды.

Водные организмы подразделяются на пресноводные и морские по степени солености воды, в которой они обитают. Сравнительно немногие растения и жи- вотные могут выдерживать большие колебания солености. Такие виды обычно обитают в эстуариях рек или в соленых маршах и носят названия эвригалинных. К ним относятся многие обитатели литорали (соленость около 35 ‰), эстуариев рек, солоноватоводных (5-35 ‰) и ультрасоленых (50-250 ‰), а также проход- ные рыбы, нерестящиеся в пресной воде (< 5 ‰). Наиболее удивительный при- мер – рачок Artemia salina, способный существовать при солености от 20 до 250 ‰ и даже переносить полное временное опреснение. Способность существовать в водах с различной соленостью обеспечивается механизмами осморегуляции,

которую поддерживают относительно постоянные концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды.

По отношению к солености среды животные делятся на стеногалинных и эвригалинных. Стеногалинные животные – животные, не выдерживающие зна- чительные изменения солености среды. Это подавляющее число обитателей морских и пресных водоемов. Эвригалинные животные способны жить при ши- роком диапазоне колебаний солености. Например, улитка Hydrobia ulvae спо- собна выживать при изменении концентрации NaCl от 50 до 1600 ммоль/мл. К ним относятся также медуза Aurelia aurita, съедобная мидия Mutilus edulis, краб

Carcinus maenas, аппендикулярия Oikopleura dioica.

Устойчивость по отношению к изменению солености меняется с темпера- турой. Например, гидроид Cordylophora caspia лучше переносит низкую соле- ность при невысокой температуре; десятиногие раки переходят в малосоленые воды, когда температура становится слишком высокой. Виды, обитающие в со- лоноватых водах, отличаются от морских форм размерами. Так, краб Carcinus maenas в Балтийском море имеет маленькие размеры, а в эстуариях и лагунах –

73

Показатель рН сравнительно легко измерить, поэтому его изучили во мно- гих водных местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению (от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна. Изменение рН пропорционально изменению количества СО2, т.е. рН может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фо- тосинтеза и дыхания). В воде с низким рН содержится мало биогенных элемен- тов, в связи с чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределе- нии водных организмов.

Растения растут в воде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7 до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукры-

лых из рода Chaoborus.

Влияние количества растворенного кислорода гидробионтов. Демарка-

ционным критерием выживания аналогично может являться концентрация ки- слорода. По отношению к кислороду выделяют аэробные и анаэробные орга- низмы. Аэробными организмами называются такие организмы, которые способ- ны жить и развиваться только при наличии в среде свободного кислорода, ис- пользуемого ими в качестве окислителя. К аэробным организмам принадлежат все растения, большинство простейших и многоклеточных животных, почти все грибы, т.е. подавляющее большинство известных видов живых существ. У жи- вотных жизнь в отсутствие кислорода (анаэробиоз) встречается как вторичное приспособление.

Анаэробные организмы способны жить и развиваться при отсутствии в сре- де свободного кислорода. Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 г. бактерии маслянокислого брожения. Распространены они главным обра- зом среди прокариот. Метаболизм их обусловлен необходимостью использовать иные окислители, чем кислород. Многие анаэробные организмы, использующие органические вещества (все эукариоты, получающие энергию в результате гли- колиза), осуществляют различные типы брожения, при которых образуются вос- становленные соединения – спирты, жирные кислоты. Другие анаэробные орга- низмы – денитрифицирующие (часть из них восстанавливает окисное железо), сульфатвосстанавливающие, метанообразующие бактерии – используют неорга- нические окислители: нитрат, соединения серы, СО2. Анаэробные бактерии раз- деляются на группы маслянокислых и т.д. в соответствии с основным продук- том обмена. Особую группу анаэробов составляют фототрофные бактерии.

По отношению к О2 анаэробные бактерии делятся на облигатных, которые неспособны использовать его в обмене, и факультативных (например, денитри- фицирующие), которые могут переходить от анаэробиоза к росту в среде с О2.

Степень насыщенности воды кислородом обратно пропорциональна ее тем- пературе. Концентрация растворенного О2 в поверхностных водах изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержена значительным сезонным и суточным колебаниям, ко-

75

разии как объектах сохранения, а, соответственно, изучения и выделения в при- роде.

В1992 г. на Конференции ООН по окружающей среде и развитию была принята «Конвенция о биологическом разнообразии», к которой присоедини- лось большинство стран на планете, а, следовательно, сложнейшая и многооб- разнейшая проблема биоразнообразия приобрела еще и политическое звучание.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что словосочетание «биологическое разнообразие» впервые применил Г. Бэйтс в 1892 г. в работе «Натуралист на Амазонке», когда описывал свои впечатления от встречи около 700 разных видов бабочек за время часовой экскурсии. Однако основные науч-

ные концепции биоразнообразия были сформулированы лишь в середине ХХ века, что напрямую связано с развитием количественных методов в биологии. Особенно отметим работы Р. Уиттекера, в которых была предложена организа- ция уровней экосистемного разнообразия и исследованы зависимости биоразно- образия от факторов окружающей среды.

Обратим внимание, что исследование различных аспектов биоразнообразия является одним из магистральных направлений концепции устойчивого разви- тия. Устойчивое развитие определяют как управляемый процесс коэволюцион- ного развития природы и общества. Как деятельность, устойчивое развитие ну- ждается в поддержке мощной информационной базы цифровых данных по эко- логическим, социально-демографическим, производственно-экономическим ус- ловиям и тенденциям их развития. На основе этих данных строятся модели эко- номического благополучия и проводятся научные исследования.

Здесь мы сталкиваемся с рядом проблем. Во-первых, объемы первичной информации устойчивого развития территорий, даже локального уровня, очень велики. В связи с этим проявляется проблема накопления, целенаправленного структурирования и обработки колоссального объема информации. Во-вторых, существует проблема получения качественно новой информации на основе пер- вичной (здесь следует отметить, что на данный момент накопилось большое ко- личество тематической информации в различных форматах) и прогнозирования.

Анализ информации невозможен без адекватного математического аппарата и на его разработку в различных областях тратится «львиная доля» ресурсов. В- третьих, необходима единая концептуальная система, объединяющая этапы сбо- ра, обработки, анализа информации и прогноза.

Внастоящее время существует несколько попыток реализации информаци- онных систем с экологическим наполнением. Как правило, подразумевается реализация с помощью некоторой ЭИС (экологическая информационная систе- ма) или БИС (биоинформационная система). Но основанная проблема всех сис- тем – это математическое обоснование. Определим для начала основные показа- тели биологического мониторинга.

Встречаемость (частота встречаемости, коэффициент встречаемости) – это относительное число выборок (участков), в которых встречается вид. Если выборка состоит из 100 учетных площадок, а вид отмечен на 43, то и встречае- мость равна 43%. При встречаемости 25%, вид встречается в каждой четвертой

77

общества лучше бедных видами. Во-вторых, мониторинг окружающей среды,

исходящий из корреляции уровня загрязнения со снижением разнообразия или изменением характера распределения видового обилия. В обоих случаях разно- образие используется как индекс благополучия экосистемы, а, следовательно, очевидным способом получения подобной информации является количествен- ная оценка компонентов биоразнообразия различных уровней организации. И, наконец, в-третьих, исследование структуры сообществ всегда даёт новую ин- формацию об исследуемом объекте и, как следствие, новый импульс для разви- тия науки и корректировки методов практической деятельности.

Мы будем рассматривать процесс оценки компонентов биоразнообразия на основе полной схемы сравнительного анализа в рамках схемно-целевого подхо- да Б.И. Сёмкина с использованием информационных технологий.

Несмотря на то, что исследование структуры биологических объектов – од- на из центральных проблем многих биологических наук, таких как экология, геоботаника, фитоценология и др., о содержательной концепции до сих пор идут споры. Когда дело касается количественных оценок, привлечение математиче- ских приемов неизбежно, особенно если исследователь работает в некой новой, междисциплинарной области, а тем более, если изучается структура таких сложных объектов природы, как растительный покров.

«Первой ласточкой» стала работа П. Жаккара в 1901 г. Этим швейцарским исследователем был предложен коэффициент флористической общности, кото- рый и по настоящее время не потерял своей актуальности. В дальнейшем, было опубликовано огромное количество теоретических разработок и работ, касаю- щихся применения количественных методов в конкретной предметной области. Особенно преуспели британские математики – Р.Э. Фишер, К. Пирсон и В. Уэл- дон, которых считают основателями биометрии. В отечественной биологиче- ской науке можно отметить публикации А.А. Любищева (члена Международно- го биометрического общества), да ещё, пожалуй, работы Р.Л. Берга в области стабилизирующего отбора, а также работами П.В. Терентьева о методе корреля- ционных плеяд.

В 60-70 гг. в направлении количественной биологии можно отметить явный научный бум. Начиная с первых работ по количественным методам и по на- стоящее время, в различных естественных науках, наблюдается разрыв между схемами сбора данных и схемами последующей математической обработки. Следствием подобной практики является обычно то, что математические мето- ды очень часто используются некорректно. Во избежание подобных ошибок Б.И. Сёмкиным была разработана концепция схемно-целевого подхода. В общем можно отметить, что суть схемно-целевого подхода заключается в использова- нии строгой схемы исследования, начиная с выбора цели исследования и закан- чивая интерпретацией данных.

Рассмотрим данную схему подробно. В рамках схемно-целевого подхода выделяют две схемы: детерминистскую (обусловленную) и стохастическую (ве- роятностную). Схема определяется в зависимости от типа исследуемых данных и определяет используемые в исследовании методы.

79