14 Неделя Дисциплина Методы исследования в экологии

• Название: 14 Неделя Дисциплина Методы исследования в экологии
• Дата: 29.05.2022
• Размер: 0.66 Mb.
• Имя файла: ____________.pptx
• Тип: Документы; #555323

14 Неделя

Дисциплина «Методы исследования в экологии»

Биологическая индикация.

Биологическая индикация.

Экологические основы биоиндикации.

Биоиндикация

Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов.

Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества.
С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Биоиндикация

Биоиндикацию следует понимать как метод экологических исследований, позволяющий с помощью биологических систем с определенной точностью устанавливать основные качественные и количественные характеристики среды обитания.

Биоиндикация

Основная задача биоиндикации – разработка методов и критериев, которые могли бы

* адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения;

* диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.

в реальной экологической ситуации изолированного действия стрессора не существует – есть лишь совместное действие комплекса факторов по результатам токсикологических лабораторных тестов на живых организмах установлены ПДК для более чем 1000 химических соединений.
число веществ-загрязнителей, способных влиять на экологическое состояние биоты самостоятельно, или комбинируясь, превышает миллион наименований.


Биоиндикация не дает ответа на вопрос о характере загрязняющего вещества или их смеси.
обычно методы биоиндикации используют до химического анализа, что позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие» точки, указывающие на наиболее загрязненные участки территории.
На участках, где методами биоиндикации выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления.

Уровни биоиндикации

внутриклеточные реакции (биохимические, физиологические);
реакции организма (анатомические, морфологические, биоритмические, этологические);
популяционно-динамические изменения (колебания структуры, численности, плотности популяции);
изменения в природных сообществах (состояние продуцентов, консументов, редуцентов);
биогеоценотический уровень (стрессовое влияние на биогеоценозы);
изменения ландшафтов.

Биоиндикация на клеточном и субклеточном уровнях

Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций.
Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро.
Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды.
Этот уровень биоиндикации - наиболее сложный, требующий специального оборудования

Изменения на клеточном уровне:

изменения биомембран (особенно их проницаемости);
изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);
аккумуляция вредных веществ в клетке;
нарушение физиологических процессов в клетке;
изменение размеров клеток.

Изменение окраски (неспецифическая реакция на различные стрессоры): хлороз, некроз листьев

Макроскопические изменения растений

Макроскопические изменения растений

Преждевременное увядание;
Дефолиация (влияние SO2, хлоридов);
Изменение размеров органов (удлинение хвои под действием нитратов);
Изменение формы, количества и положения органов (при действии радиоактивного облучения);
Изменение направления формы роста и ветвления (изменение направления роста корней одуванчика при изменении уровня грунтовых вод, изреживание кроны при газодымовом загрязнении);
Изменения прироста (изменения радиального прироста древесных стволов, прироста в длину побегов и листьев).

1. Плотность популяции – количество особей вида на единицу площади или объема

Площадь покрытия лишайников хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе.
Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов.

2. Возрастная структура популяций -соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями:

популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются (отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов);
популяция стареет, если нарушается возобновление.

3. Экологическая структура популяций

Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов – групп особей, приспособленных к разным условиям среды.
Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания.
В условиях негативных воздействий происходит распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов

1. Плотность популяций

Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы:

а) сокращение популяций:

сокращение плотности популяций зерноядных птиц в результате массового отравления ртутьсодержащими соединениями, в Швеции в начале 50-х годов ХХ в.;
хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;

б) рост популяций:

озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов;
сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины – уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов).

2. Динамика численности популяций

Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций:

навозные и компостные виды коллембол в городе: сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

3. Пространственная структура

Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках.

Нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

Биоиндикация на биоценотическом уровне

Сообщества (или биоценозы) - совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания.

Для описания сообществ используют:

общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая структура, экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп), изменение показателей во времени.

1. Общая численность

Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов.
Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубей, воробьев, ворон.
На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ

При слабом нарушении среды количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов.
Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

3.Видовая структура

Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы:

а) многочисленные – доминанты,

б) менее многочисленные – субдоминанты,

в) малочисленные

г) редкие виды.

Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе различается
При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» – группы малочисленных и редких видов.
Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но общая закономерность сохраняется.

4. Спектр жизненных форм

При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими.
При рекреационной нагрузке в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.

 Биоиндикация на экосистемном уровне

Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии.
Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенных элементов, организмов-продуцентов, организмов-консументов и организмов-редуцентов.
Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура

Трофическая структура

Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов.

Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3–4 раза.
Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.


Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий.
Страдают, прежде всего, заключительные стадии – зрелые климаксные сообщества не формируются.
Например, при лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов.


к упрощению структуры сообществ и экосистем;
нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Биоиндикаторы

Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды.

Биоиндикаторы – организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки.

Биоиндикаторы

Критерии выбора биоиндикатора:

быстрый ответ;
надежность (ошибка <20%);
простота;
мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

Типы биоиндикаторов:

Чувствительный - быстро реагирует на незначительные отклонения показателей от нормы.
Аккумулятивный - накапливает воздействия определенное время без проявляющихся нарушений.

Биоиндикаторы

Характеристики биоиндикаторов:

Специфичность: при низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой – только на один
Чувствительность: при низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.


накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели организмов;
численность организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния на их воспроизводство;
в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны многолетние виды;
биотесты должны быть генетически однородны;
должна быть обеспечена легкость отбора проб;


должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования;
биотесты должны обеспечивать получение достаточно точных и воспроизводимых результатов;
биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами;
диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20-30%;

Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени

I. Биоиндикатор проявляет спустя определенное время внезапную и сильную реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнитель.

II. Биоиндикатор в течение длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнителя.

Формы биоиндикации

В зависимости от реакции, проявляемой системой на действие того или иного фактора, различают 2 вида биоиндикации:

регистрирующая: позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции
биоиндикация по аккумуляции: использует свойство живых организмов накапливать те или иные химические вещества.

Формы биоиндикации

Специфическая: изменения живой системы можно связать с конкретным фактором среды (высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен.
Неспецифическая: различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию (снижение численности почвенных беспозвоночных при различных видах загрязнения почвы, при вытаптывании, в период засухи и по другим причинам).

Формы биоиндикации

Формы биоиндикации

Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то речь идет о прямой биоиндикации (серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона).
Если биоиндикация становится возможной только после изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов, говорят о косвенной биоиндикации (действие гербицида изменение растительного покрова падение численности саранчовых и рост численности тлей).

Факторы Реакция Факторы Реакция

среды живой системы среды живой системы

А α А Б α

Биоиндикация состояния водных экосистем

Олигохетный индекс (ОИ) впервые был предложен Гуднайтом и Уотлеем в 1961 г.
массовое развитие олигохет – индикатор спуска бытовых отходов.
отношение количества малощетинковых червей к общему количеству зообентоса в водоеме

Классификация таксонов крупных организмов по отношению к чистоте воде (трёхуровневая оценка степени загрязнения)

Таксоны 1-й группы	Таксоны 2-й группы	Таксоны 3-й группы
Личинки поденок	Личинки комара-долгоножки	Личинки комара-звонца (мотыть)
Личинки (нимфы) веснянок	Личинки стрекоз	Моллюски-прудовики
	Речные раки	Пиявки
Личинки вислокрылок	Бокоплавы	Водяные ослики
Личинки ручейников	Моллюски (катушки и лужанки)	Личинки мошки
Двустворчатые моллюски		Олигохеты

Группа 2. Эти организмы могут существовать в воде различной степени загрязненности.

Группа 3. Эти организмы выживают даже в очень грязной воде.

Оценка качества воды проводится следующим образом

Загрязненная вода – 90% организмов и более относятся к 3-й группе индикаторов.
Малозагрязненная вода (удовлетворительного качества) – от 11 до 30% организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й и 2-й групп.
Чистая вода – 30% и более организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й группы.

Индекс Майера использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности

Обитатели чистых вод, X	Организмы средней чувствительности, Y	Обитатели загрязнённых водоёмов, Z
Личинки веснянок Личинки подёнок Личинки ручейников Личинки вислокрылок Двустворчатые моллюски	Бокоплав Речной рак Личинки стрекоз Личинки комаров-долгоножек Моллюски-катушки Моллюски живородки	Личинки комаров-звонцов Пиявки Водяной ослик Прудовики Личинки мошки Малощетинковые черви

Представители организмов-индикаторов каждой из групп

1-ая гр.: личинки ручейников

2-ая гр. : бокоплав

Индекс Вудивисса учитывает сразу

два параметра бентосного сообщества:

общее разнообразие беспозвоночных
наличие в водоеме организмов, принадлежащих к "индикаторным" группам.

При повышении степени загрязненности водоема представители этих групп исчезают из него примерно в том порядке, в каком они приведены в таблице.

Таблица. Представители видов-индикаторов

Оценка состояния атмосферного воздуха Виды повреждения и усыхания хвои

а) хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков (КУ1); б) хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1);

в) хвоя с большим числом желтых и черных пятен (КП3), кончик усох на 2-5 мм (КУ2); г) усохла треть хвоинки (КУ3); д) усохло более половины длины хвоинки (КУ4);

е) вся хвоя желтая и сухая (КУ4).

КП – класс повреждения (некрозы), КУ – класс усыхания хвои.

Лихеноиндикация

Спасибо за внимание!

Спасибо за внимание!