2.5. Біологічний моніторинг

2.5.1. Біологічний моніторинг і біоіндикація

Біологічний моніторинг – це істотна частина моніторингу стану навколишнього природнього середовища.

Біологічний моніторинг передбачає спостереження за станом біотичної складової біосфери, її реакцією на антропогенні впливи, відхиленням від нормального, природного стану на різних рівнях: молекулярному, клітинному, рівні організму, популяції та угруповання.

Завдання біологічного моніторингу полягають у спостереженнях за станом здоров’я людини (медико-біологічний моніторинг), за найважливішими популяціями, за популяціями-індикаторами.

Структура біологічного моніторингу, яка складається з окремих підпрограм, базується на принципі побудованому на рівнях організації біологічних систем. При такому підході можна виділити субклітинний рівень організації, якому буде відповідати генетичний моніторинг, клітинному рівню відповідає біохімічний моніторинг, органогенному - фізіологічний моніторинг, популяційному і біоценологічному рівням - екологічний моніторинг (рис2.4.).

Рис 2.4 Структура біологічного моніторингу (за К. С. Бурдіним)

Всі ці підпрограми знаходяться на різній стадії розробки і впровадження. 3 точки зору інформативності вони однаково цінні і не мають пepеваг одна над іншою. Деякі автори вважають, що підпрограмі екологічного моніторингу належить провідна роль у біологічному моніторингу.

В ряді випадків важко провести різку межу між вказаними видами моніторингу, тому що зіставлення і обмін одержаної інформації вже на оперативних етапах роботи різко посилює їх взаємозалежність.

В роботах зарубіжних дослідників переважає точка зору, згідно якій, головною метою і задачею біологічного моніторингу є розробка і впровадження різних біологічних методів і способів оцінки якості навколишньою середовища. Біологічний моніторинг покликаний перш за все розширювати і поглиблювати систему знань і методів про спостереження, оцінку і прогноз стану біологічної складової біосфери, в цілях створення основи для управління якості оточуючого середовища (К.С.Бурдін).До складу біологічного моніторингу повинні входити три види діяльності: розробка систем раннього оповіщення, діагностика і прогнозування.

Діагностичний моніторинг передбачає виявлення, ідентифікацію і визначення концентрації речовин, що забруднюють довкілля, в біотичній складовій на основі широкого використання організмів-моніторів. Поряд з діагностичними роботами повинні проводитися дослідження, які направлені на одержання прогнозу стану біологічної складової навколишнього середовища (прогностичний моніторинг). Вони можуть йти за двома напрямками в залежності від поставленої задачі і особливостей об'єкту дослідження. Один із них - екотоксикологія, другий - біоіндикація.

Біомоніторинг тісно пов'язаний з біоіндикацією.

Біоіндикація – метод оцінки абіотичних і біотичних чинників середовища за допомогою біологічних систем.

Аналізуючи реакції організмів на певні антропогенні стресори і порівнюючи їх з правильно підібраним контролем (з незабрудненого місця Існування), можна зробити висновки про стан довкілля.

Надійність організму проявляється в ефективності його захисних пристосувань, в його стійкості до дії несприятливих факторів зовнішнього середовища: дефіциту води, високої і низької температури, нестачі кисню, засоленню і загазованості довкілля, іонізуючого опромінювання, інфекції та ін. Несприятливі фактори називають стресорами, а реакції організму на будь-які відхилення від норми - стресом.(рис. 2.5.)

Можливі стресори в оточуючому середовищі представлені на рис. 2.5.

Рис 2.5. Стресори середовища, що оточує живі організми (за Е. Вайнертом)

Реакції, обумовлені стресорами, відносяться до різних системних рівній ієрархічної організації обміну речовин. При цьому змінюються [64]:

• організація, структура і склад біомембран (наприклад, змінюється проникність); концентрація макромолекул (наприклад, змінюється кількість ферментів); активність макромолекул (наприклад, ферментативна);

• продукування речовин із захисними функціями (наприклад, проліну); індукція нових метаболічних систем або хід біохімічних реакцій;

• структура клітин.

На рівні організмів і екосистем вплив стресорів помітний тільки завдяки появленню зовнішніх симптомів пошкодження (наприклад, некроз, хлороз) після того, як перейдена межа адаптивної здатності і системи стають нестабільними. Наприклад, реакцію індикаторних рослин можна простежити тільки за виникненням певного пошкодження.

При необхідності своєчасного запобігання необоротних змін стану раннє розпізнавання порушень часто є вирішальним. Про чутливість біохімічних і фізіологічних параметрів часто можуть свідчити дуже незначні концентрації стресора. На клітинному субклітинному рівнях біоіндикації вплив стресорів частіше всього прихований від спостерігача, однак його можна вимірити за допомогою молекулярно-біологічних, біохімічних та фізіологічних методів.

Таким чином, на перший план виступають причинно-аналітичні досліди, за допомогою біохімічних і фізіологічних методів, які дозволяють зрозуміти механізми дії стресорів. Ці механізми дуже важливі, оскільки :

• видимі симптоми будь-якого пошкодження - результат глибоких змін в обміні речовин рослин і тварин, причина (причини) яких важливі для розуміння подібних явищ;

• точне знання цих механізмів дії дозволяє провести ранню діагностику порушень;

• з їх допомогою можна пояснити адаптаційні механізми і прийняти захисні міри, щоб якомога раніше спинити розвиток необоротних змін.Реакції, обумовлені стресорами, можуть широко використовуватися в структурі біологічного моніторингу.Про можливості використання живих організмів у якості показників певних природних чинників писали ще вчені древнього Рима й Греції.У Росії в рукописах XV й XVI вв. уже згадувалися такі поняття як "ліс орний" й "ліс неорний", тобто ділянки лісу, придатні для його відомості під ріллю й непридатні.

У працях М.В. Ломоносова і А.Н. Радищева є згадування про рослини - індикатори особливостей ґрунтів, гірничих порід, підземних вод.

У ХІХ ст. в працях вчених був показаний зв'язок рослин з факторами навколишнього середовища. Про можливості рослинної біоіндикації писав геолог А М. Карпинский. Інший геолог- П.А. Ососков - використав характер розподілу рослинних співтовариств для складання геологічних карт, а ґрунтознавець С.К. Чаянов- ґрунтових карт. Великий внесок у розвиток біоіндикації вніс російський вчений ґрунтознавець В.В. Докучаєв.

На початку XX ст. біоіндикаційні розробки стали розвиватися особливо інтенсивно. До кінця XX століття біоіндикаційні эакономірності перетерпіли якісний стрибок. У цей час для цілого класу індикаторних видів рослин і тварин доцільно говорити не тільки про наявність або відсутність фактора, але й про ступінь його впливу на природний комплекс. Різні ступені впливу на навколишнє природне середовище, яке регеструється за допомогою цих видів, дозволяють ввести шкалу впливів (наприклад, немає впливу- слабке - середнє - сильне). Наявність шкали екологічного фактора дозволяє набагато більш вірно оцінювати досліджувану територію. У такому випадку варто говорити не про біоіндикацію, а про біодіагностичні території - метод кількісної оцінки ступеня впливу екологічного фактора на навколишнє природне середовище.

Організми або спілки організмів, життєві функції яких тісно корелюють з певними факторами довкілля і які можуть використовуватися для оцінки цих факторів, називаються біоіндикаторами.

Об'єктами біоіндикації можуть бути як певні типи природних об'єктів (ґрунт, вода, повітря), так і різні властивості цих об'єктів (механічний, хімічний склад й ін.) і певні процеси, що протікають у навколишнім середовищі (ерозія, дефляція, заболочування й т.п.), у тому числі, що відбуваються під впливом людини.

Біоіндикаційні дослідження підрозділяються на два рівні: видовий і біоценотичний. Видовий рівень містить у собі констатацію присутності організму, облік частоти його зустрічальності, вивчення його анатомо-морфологічних, фізіолого-біохімічних властивостей. При біоценотичному моніторингу враховуються різні показники розмаїтості видів, продуктивність даного співтовариства.

Існують різні види біоіндикації. Якщо та сама реакція викликається різними факторами, то говорять про неспецифічну біоіндикацію. Якщо ж ті або інші зміни, що відбуваються, можна зв'язати тільки з одним фактором, то мова йде про специфічну біоіндикацію.Наприклад, лишайники й хвойні дерева можуть характеризувати чистоту повітря й наявність промислових забруднень у місцях, де вони виростають.Видовий склад тваринних і нижчих рослин, що живуть у ґрунтах, є специфічним для різних ґрунтових комплексів, тому зміни цих угруповань і чисельності видів у них можуть свідчити про забруднення структури ґрунтів під впливом господарської діяльності.

Методи біоіндикації підрозділяються на два види: реєструюча біоіндикація й біоіндикація по акумуляції. Реєструюча біоіндикація дозволяє судити про вплив факторів середовища по стану особин виду або популяції, а біоідикація по акумуляції використовує властивість рослин і тварин накопичувати ті або інші хімічні речовини. Відповідно до цих методів розрізняють, що реєструють і накопичують індикатори.

Реєструючі біоіндикатори реагують на зміни навколишнього середовища зміною чисельності, фенооблику, ушкодженням тканин, соматичними проявами (у тому числі потворністю), зміною швидкості росту й іншими добре помітними ознаками. У якості прикладу реєструючих біоіндикаторів можна назвати лишайники, хвою дерев (хлороз, некроз) . Однак за допомогою реєструючих біоіндикаторів не завжди можливо встановити причини змін, тобто фактори, що визначили чисельність, поширення, кінцевий вигляд або форму біоіндикатора. Це один з основних недоліків біоіндикації, оскільки спостережуваний ефект може породжуватися різними причинами або їхнім комплексом.

Акумулюючі індикатори концентрують забруднюючі речовини у своїх тканинах, певних органах і частинах тіла, які надалі використаються для з'ясування ступеня забруднення навколишнього середовища за допомогою хімічного аналізу.Прикладом подібних індикаторів можуть служити хітинові панцири ракоподібних і личинок комах, що живуть у воді, мозок, бруньки, селезінка, печінка ссавців, раковини молюсків, мохи.

Розрізнюють різні типи чутливості біоіндикаторів відповідно до часу розвитку біоіндикаційних процесів[9]:

І – біоіндикатор діє через деякий час, упродовж якого він не реагував на вплив (одноразова реакція), і одразу втрачає чутливість;

ІІ – реакція миттєва, але триває певний час, а потім зникає;

ІІІ – біондикатор реагує з моменту появи порушувального впливу з однаковою інтенсивністю тривалий час;

ІV – після швидкої і сильної реакції відбувається її поступове згасання;

V – при появі стресора починається реакція, яка посилюється, досягаючи максимума, а потім згасає;

VІ – реакція має синусоїдний характер і багаторазово повторюється (рис.2.6.).Для біоіндикації можна використати організми з типами чутливості I, II, III, IV,V, VI.

Ч

I Ст

III Ст

II Ст

VI Ст

V Ст

IV Ст

Р

Ст

ис 2.6. Типи чутливості біоіндикаторів залежно від часу розвитку біондикаційних процесів

Ч – чутливість біоіндикатора,Ст-стресор довкілля.

Для того, щоб визначити межі граничних концентрацій и забруднювачів, необхідні відомості про кількісні взаємозв'язки між вмістом даного забруднювача в оточуючому середовищі і його дією на певний об'єкт. Оскільки звичайно у повітрі присутні декілька забруднювачів, важко вивчити результати їх сумісної дії. Реакція живих істот є джерелом необхідної інформації про вплив, в той час як дані хімічного і фізичного аналізів повітря можна використовувати як основу для визначення небезпеки, якій підлягають біологічні об'єкти.

Фітоіндикація - складова загальної системи біоіндикацій. За Я.Π. Дідухом і П.Г. Плюта предмет фітоіндикації чітко окреслений - це оцінка екологічних чинників за допомогою ознак рослин.

Часто поняття біоіндикація вживається в більш вузькому значенні. Воно використовується виключно для залежної від часу оцінки дії антропогенних чинників або факторів довкілля, що зазнають на собі антропогенний вплив, на основі зміни кількісних характеристик об'єктів і систем.

Деякі автори вважають, що оскільки з однієї сторони антропогенні зміни, забруднення ландшафту і природних умов впливають на живі істоти аналогічно природним факторам, а з другої - більша частина природних факторів антропогенно змінена, екологічна різниця між широким і вузьким визначенням біоіндикації не є принциповою. Рослини, організми, які зазнають періодичні, чи епізодичні зміни довкілля, є інтегральними показниками його стану, відображуючи одночасно і екстремальні характеристики. Використання рослин як біоіндикаторів промислового забруднення природного середовища дозволить не тільки оцінити екологічний вплив окремих хімічних речовин, але й установити сукупну дію забруднювачів із врахуванням різних природних факторів.

За Е.Вайнертом, відповідно з організаційними рівнями біологічних систем можна виділити різні рівні біоіндикації, між якими не можна провести різких меж:

1-й рівень: біохімічні і фізіологічні реакції;

2-й рівень: анатомічні, морфологічні, біоритмічні та поведінкові;

3-й рівень: флористичні, фаунистичні. хорологічні зміни;

4-й рівень: ценотичні зміни;

5-й рівень: біогеоценотичні зміни;

6-й рівень: зміни ландшафтів.

Біохімічні та фізіологічні реакції – зміни в організмі, що відбуваються під впливом певного чинника довкілля на рівні мембран, ферментів, гормонів, компонентів клітин, пігментів, інтенсивності фотосинтезу.

Морфологічні, біоритмічні та поведінкові відхилення від норм в організмів під впливом антропогенних чинників.

Вплив на морфологічну структуру. Ще в середині ХІХ ст. у Великій Британії та Бельгії поблизу содових заводів було помічено зміну форми органів, забарвлення та продуктивності окремих рослин. Морфологічні індикатори використовують для складання екологічних карт (антропогенного забруднення територій), для ведення пошуку родовищ корисних копалин за допомогою дистаційних методів, виявлення засолення грунтів тощо.

Макроскопічні зміни – це некрози (відмирання окремих ділянок тканин), наприклад, крайові некрози листя лип, що ростуть на тротуарах, зумовлені засоленням грунтів; зміна забарвлення (під впливом SO₂ в листі смородини руйнується хлорофіл і виявляється червоне забарвлення антоціанів), передчасне старіння (під дією етилену; тому для прискорення дозрівання фруктів їх обробляють цим газом); обпадання листя; зміна форми чи розмірів органів; зниження продуктивності; навіть формування нехарактерної для певного виду крони (у разі забруднення повітря SO₂ і HF дерева набувають кущо- і подушкоподібних форм).

Мікроскопічними змінами може бути зміна розмірів клітини і субклітинних структур (руйнування хлоропластів у листках під впливом оксиду сульфуру (ІV) і хлориду натрію) тощо.

Вплив на анатомо-динамічні структури тварин виявляється в зміні розмірів тіла чи окремих його частин, зміні забарвлення (в 1948 р. у промисловому районі Великої Британії було вперше помічено метелика – темного п’ядуна березового, який пристосувався до зміненого довкілля – темних від осідання сажі й пилу стовбурів берез; через 50 років кількість його вже становила 99% місцевої популяції).

Дія на біоритми (наприклад, передчасне пожовтіння та обпадання листя ).

Хорологічні та популяційно-динамічні зміни (зміна продуктивності окремого виду, народжуваності й смертності, розширення чи скорочення ареалу).

Саме системний підхід вивів фітоіндикацію на більш високий рівень досліджень і дозволяє оцінювати не тільки статичні властивості екосистем, а й їх динаміку, зміни процесів, що спричинені як природними, так і антропогенними факторами.

На нижчих рівнях організації біологічних систем переважають прямі і частіше специфічні види біоіндикації, пов'язані з дією якого-небудь певного стресора. На вищих рівнях переважає непряма біоіндикація. В зв'язку зі складністю біологічних систем часто буває можлива лише неспецифічна біоіндикація. Однак це відкриває шляхи до виявлення комплексних стресорних впливів і тим самим до оцінки допустмих навантажень на складну екосистему (Shubert).

Для біоіндикації використовують пасивний і активний моніторинг (Rabe). В першому випадку у вільно живучих організмів вивчають видимі або непомітні пошкодження, або відхилення від норми, які є ознаками стресової дії. Активний моніторинг передбачає виявлення тих же самих впливів на тест-організми, які знаходяться в стандартизованих умовах на досліджуваній території.

При біоіндикації слід враховувати чотири головних вимоги.

• відносна швидкість проведення;

• одержання достатньо точних і відтворювальних результатів;

• присутність об'єктів, які використовуються з метою біоіндикацій, якщо можливо, у великій кількості і з однорідними властивостями;

• діапазон похибок порівняно з другими методами тестування повинен бути не більше 20%.

Велика роль у цьому відводиться оцінці довкілля за накопиченням в органах рослин забруднювачів оточуючого середовища, фізіологічним і біохімічним показникам.

Екологічні індикатори сумують всі біологічно важливі дані про навколишнє середовище і відображають його стан в цілому, оскільки дія токсичних речовин є поштовхом до різноманітних змін всередині екосистеми, компоненти якої тісно пов'язані один з одним. Екологічні індикатори роблять необов'язковим використання дорогих хімічних та фізичних методів для вимірювання біологічних параметрів. Крім того, живі організми постійно знаходяться в природі і реагують на короткочасні та залпові викиди токсикантів, які може не зареєструвати автоматизована система контролю з періодичним відбором проб на аналіз. Екологічні індикатори відображають швидкість процесів, що відбуваються в навколишньому середовищі, вказують на шляхи та місця накопичення забруднень в екосистемах, дозволяють оцінити шкідливість тих чи інших речовин для природи та людини. Таким чином вони дають можливість контролювати дію багатьох синтезованих хімічних сполук та нормувати допустиме навантаження на екосистеми, які відрізняються за своєю стійкістю до антропогенних впливів. Крім того, біологічні індикатори дають змогу оцінювати кумулятивні та віддалені ефекти дії екотоксикантів.

Вимоги до біологічних індикаторів

Досить часто індикаторами виступають таксобні та сапробні організми, хоч це і не є обов'язковою ви­могою. Сапробність (від грецького sapros- гнилий) -це фізіологічні та біохімічні властивості організму, які обумовлюють його здатність проживати в воді з тим або іншим вмістом органічних речовин, які поступа­ють до водоймищ разом з господарсько-побутовими стічними водами. Термін "сапробність" походить від грецького слова, яке означає "той, що гниє". Сап­робність водойми - це ступінь її забруднення органі­чними речовинами. Виділяють п’ять зон сапробності. Полісапробна зона - це найбільш забруднена ділянка водойми, в якій відсутній кисень, але високий вміст білків, Н₂S, СО₂, а для біохімічних процесів характер­ний відновлювальний характер. В мезосапробній зоні вже з'являється кисень, немає нерозкладених білків, менший вміст Н₂S і СО₂. Виділяють а- і b-мезосапробність. В а-мезосапробній зоні кисню ще мало, при­сутні амміак, зміно- і амідокислоти, Н₂S. В b-мезосапробній зоні кисню вже багато, а Н₂S - мало, присутні амміак, азотиста та азотна кислоти, але немає аміно­кислот. В олігосапробній зоні мало похідних органіч­них речовин і багато кисню. Ксеносапробна зона харак­теризується відсутністю органічних речовин і висо­ким вмістом кисню.

Різні організми по-різному пристосовані до органічного забруднення. Існування гідробіонтів в різних зонах сапробності визначається їхніми потре­бами в органічному живленні, кисні і в їхній стійкості до отруйних речовин, які утворюються при розкладі органіки - Н₂S, СО₂, NН₃, Н⁺, органічних кислот. Для багатьох організмів оптимум лежить в певній зоні сап­робності або в декількох сусідніх зонах. Таким чином гідробіонти виступають індикаторами сапробності.

Вперше список індикаторів сапробності був скла­дений в 1908 р. К. Кольквітцем і М. Марссоном. Вдос­коналення системи Кольквітца-Марссона йшло шля­хом розширення і уточнення показників забруднен­ня. Була введена категорія особливо чистих катаробних вод, в якості характеристики сапробності почали застосовувати величину БПК. Другий і більш важливий шлях розвитку методу полягав у переведенні якіс­них оцінок в кількісні з врахуванням того, що, з одного боку, один і той самий організм може зустрічатись в різних зонах сапробності, а з другого - в одній і тій самій пробі можуть бути присутні індикатори різних зон. По­чався етап розробки і використання різноманітних індексів сапробності, їх графічного вираження.

Токсобність - це здатність організмів заселяти води з високою концентрацією токсичних речовин (наприклад, бактерії Methylocinus, Pseulomonas, Methylococcus, Methylobakter заселяють райони нафтових забруднень) .

На сучасному етапі для екологічної індикації використовують лишайники (ліхеноіндикація), сосни (дендроіндикація), дощових червів, медоносних бджіл, багато видів риби (наприклад, окуні, гуппі), фіто- та зооплактон (синьо-зелені водорості, гіллястовусі рачки).