Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет С.М. ЧЕСНОКОВА БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Учебное пособие В двух частях Часть 1. МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ Владимир 2007 2 УДК 504.064.36 : 574 ББК 28.081.4 : 28.088 Ч-24 Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой биологии и почвоведения Владимирского государственного университета М.А. Мазиров Кандидат биологических наук, доцент, зав. кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности Владимирского государственного педагогического университета В.М. Усоев Печатается по решению редакционно-издательского совета Владимирского государственного университета Чеснокова, С. М. Ч-24 Биологические методы оценки качества объектов окружаю- щей среды : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Методы биоиндика- ции / С. М. Чеснокова ; Владим. гос. ун-т. – Владимир : Изд- во Владим. гос. ун-та, 2007. – 84 с. ISBN 5-89368-711-6 Рассмотрены краткие теоретические основы методов биоиндикации за- грязнения воздуха, почв, природных вод и конкретные методики проведения биомониторинга указанных объектов окружающей среды. Предназначено для студентов 3-го и 4-го курсов всех форм обучения специальностей 020801 – экология и 280201 – охрана окружающей среды и ра- циональное использование природных ресурсов, изучающих дисциплины «Эко- логический мониторинг» и «Экотоксикология», а также может быть полезно широкому кругу читателей, интересующихся проблемами экологии и охраны окружающей среды. Ил. 7. Табл. 14. Библиогр.: 16 назв. УДК 504.064.36 : 574 ББК 28.081.4 : 28.088 ISBN 5-89368-711-6 © Владимирский государственный университет, 2007. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие........................................................................................5 1. МЕТОДЫ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ...........10 1.1. Классификации методов фитоиндикации загрязнения воздуха .........................................................10 1.2. Фенологические методы фитоиндикации .......................13 1.3. Морфо- и биометрические методы ..................................14 1.4. Анатомо-цитологические методы ....................................15 1.5. Физиологические методы .................................................16 1.6. Биохимические методы.....................................................17 1.7. Биофизические методы .....................................................19 1.8. Дендрохронологический метод........................................21 1.9. Флористический метод .....................................................22 1.10. Популяционные и экосистемные методы........................23 1.11. Генетические методы ........................................................24 1.12. Лихеноиндикационный метод ..........................................25 Тесты для самоконтроля ............................................................27 2. МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ ПОЧВ........................................30 2.1. Биоиндикация почв по видовому составу почвенных беспозвоночных...............................................30 2.2. Требования к индикаторным видам...................................31 2.3. Эколого-биологическая характеристика почвенных животных, используемых в качестве биоиндикаторов ................................................32 2.4. Таксономические группы почвенной фауны, используемые в экологическом мониторинге почв.........35 2.5. Методы учета почвенных беспозвоночных.......................39 2.6. Биоиндикация загрязнения почв по изменению видового биоразнообразия .................................................40 2.7. Пример реализации методики ............................................42 Тесты для самоконтроля ............................................................49 4 3. МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОДОЕМОВ..............................................52 3.1. Биоиндикация загрязнения малых рек по видовому составу макрозообентоса .....................52 3.2. Отбор проб для биоиндикации ...................................53 3.3. Определение класса качества речной воды по методу С.Г. Николаева ..........................................55 3.4. Оценка качества природных вод по индексу Шеннона...................................................62 3.5. Мониторинг загрязнения природных вод биогенными элементами ............................................64 3.6. Оценка степени загрязнения водоема по видовому составу макрофитов..............................65 3.7. Оценка степени эвтрофикации водоема по зообентосу ...............................................................67 3.8. Оценка устойчивости водоема к антропогенному загрязнению по видовому составу гидробиоценоза ...........................................................68 Тесты для самоконтроля ............................................................70 Заключение .......................................................................................73 Приложения ......................................................................................76 Библиографический список.............................................................82 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Загрязнение природной среды традиционно контролируют путем физико-химических, физических и химических методов анализа проб воздуха, воды, почвы, биологических объектов и сравнения содержания в этих объектах загрязняющих веществ с фоновыми концентрациями или установленными гигиенически- ми нормативами (ПДК, ОДК). Развитие экологической ситуации на Земле в последние де- сятилетия показало, что гигиенические нормативы, разработан- ные в целях охраны здоровья человека, в большинстве случаев не обеспечивают сохранение и выживание многих видов растений (лишайников, мхов, хвойных пород) и нормальное функциониро- вание многих экосистем. Существующие физико-химические методы анализа объек- тов окружающей среды на содержание загрязнителей и особенно на наиболее опасные поллютанты (тяжелые металлы, пестициды, диоксины и др.) не только чрезвычайно сложны и трудоемки, но и требуют больших финансовых затрат. Вместе с тем несмотря на высокую точность определения элементов и соединений в пробах результаты этих анализов недостаточно надежны в экологиче- ском отношении по следующим причинам: - содержание загрязняющих веществ в объектах анализа ни- когда математически не соответствует произведению доз на вре- мя из-за миграции и перераспределения их в объектах и среде; - содержание (накопление) вредных веществ в объектах серьезно различается по годам даже в случае постоянства их вы- бросов или содержания в атмосфере из-за нестабильности погод- но-климатических условий; 6 - результаты кратковременных химических и физико- химических методов не могут обеспечить правильную экологи- ческую оценку долговременного действия загрязняющих веществ на экосистемы. Характерная черта современной науки – создание новых ме- тодов на стыках различных смежных областей науки. Примером служит развитие биологических методов анализа, базирующихся на достижениях таких областей биологии, как микробиология, зоология, ботаника и др. Использование биологических методов позволяет: - регистрировать одновременно загрязнение среды различны- ми веществами от низкого уровня (ниже санитарно-гигиенических ПДК) до критически опасных уровней на больших территориях; - проводить экологическое зонирование обширных террито- рий (мегаполиса, района, области) по уровням загрязнения и со- стоянию растительности; - оценивать экологическую опасность разных уровней за- грязнения воздуха для биоты вообще и растительности в частности; - определять критические уровни нагрузки химических за- грязнителей для наземных экосистем. Важные преимущества биологических методов – их просто- та, отсутствие дорогостоящего и сложного оборудования, необ- ходимого для использования традиционных физико-химических и физических методов. Они не требуют пробоподготовки и выде- ления определенного соединения, позволяют проводить анализ вод, почв и воздуха в экспедиционных условиях непосредственно на месте отбора проб. С их помощью оценивают степень общего загрязнения и общей токсичности объекта окружающей среды для живых организмов и целесообразность его дальнейшего де- тального анализа другими, более сложными и дорогостоящими, методами. 7 О качестве окружающей среды, степени ее загрязнения су- дят по видовому составу, соотношению видов или состоянию от- дельных видов в экосистеме (методы биоиндикации) либо по ре- акциям лабораторных подопытных организмов, помещенных в исследуемую среду (методы биотестирования). Эти организмы должны иметь известные и поддающиеся учету характеристики, легко культивироваться в лабораторных условиях. Биологические методы основаны на том, что для жизнедея- тельности – роста, размножения и функционирования живых ор- ганизмов – необходима среда строго определенного химического состава. При изменении химического состава среды обитания ор- ганизм через какое-то время, иногда практически сразу подаст соответствующий ответный сигнал. Все вещества по отношению к живым организмам можно условно разделить: 1) на жизненно необходимые; 2) токсичные; 3) физиологически неактивные. Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю реакцию орга- низма. Физиологически неактивные вещества могут дать лишь отдаленный результат. Ответные реакции живых организмов на изменение химиче- ского состава почвы, воды и воздуха могут быть самыми разно- образными: изменение характера поведения (поведенческие ре- акции); стимуляция или подавление роста, накопление биомассы; изменение пигментации, состава крови, биоэлектрической актив- ности органов и тканей; нарушение функций систем различных органов (размножения, пищеварения); паталого-анатомические изменения организма; накопление загрязняющих веществ в био- массе и даже гибель. Контроль уровня загрязнения объектов окружающей среды можно проводить практически по любым видам, начиная от ви- русов и микроорганизмов и заканчивая человеком, и на всех уровнях организации живой материи от молекулярного до экоси- 8 стемного. Исторически в решении проблем нормирования каче- ства окружающей среды наметился антропоцентрический под- ход. Однако сохранение среды для безопасной жизни человека возможно только при условии обеспечения необходимого эколо- гического режима для всей биоты и биосферы в целом. Для под- держания биогеохимических циклов в биосфере и ее гомеостаза необходимо в первую очередь обеспечить оптимальные условия для деятельности продуцентов (растительности). Это важно по- тому, что они стоят в начале трофической цепи и от их продук- тивности зависит круговорот материи и энергии в биосфере. В условиях глобального загрязнения воздуха, воды и почвы уже нельзя говорить об абсолютном качестве объектов окру- жающей среды и, возможно, даже и о доантропогенном их каче- стве или естественном биогеохимическом фоне загрязнителей. Поскольку признана необходимость диалектического единства и своего рода компромисса в эволюции человеческого общества и природы в условиях техногенеза, постольку качество среды сле- дует рассматривать как оптимально допустимое, необходимое для сохранения и развития цивилизации и биосферы. Поэтому допустимым в современных условиях качеством среды следует признать такое (состав, свойства, чистота), которое не вызывает ощутимых нарушений в функционировании организмов, экоси- стем и биогеохимических циклов биосферы. Экологический подход в этом вопросе указывает на необхо- димость признания и учета следующих основополагающих прин- ципов, полезных и важных для разработки нормативов допусти- мого загрязнения среды и оценки ее качества: - качество (оптимальность) условий среды должно устанав- ливаться для всей биоты по самым чувствительным (видам) и процессам; - в качестве диагностических признаков для оценки качест- ва среды и состояния экосистем должны использоваться наиболее 9 чувствительные и поэтому информативные процессы и функции на клеточном, тканевом и организменном уровне; - регистрация изменений и нарушений у организмов и по- пуляций должна осуществляться с помощью объективных и точ- ных методик с использованием современных прецензионных приборов; - качество (чистоту) среды следует оценивать по долговре- менному действию загрязнителей (среднегодовых концентраций ингредиентов) и таким же по времени нарушениям и изменениям у живых организмов. В данном учебном пособии рассматриваются наиболее рас- пространенные, доступные методы биоиндикации загрязнения основных компонентов окружающей природной среды (воздуха, почв, природных водоемов). 10 1. МЕТОДЫ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА 1.1. Классификация методов фитоиндикации загрязнения воздуха Качество воздуха определяют в первую очередь по реакци- ям растений и лишайников на загрязнители. Метод определения качества среды с помощью растений – фитоиндикация, лишайни- ков – лихеноиндикация. Растения весьма чувствительны к загрязнению воздуха. Вы- сокая чувствительность растений вызвана наличием у них фото- синтетического аппарата, высокочувствительного к любым воз- действиям. Синтез углеводов и запасание световой энергии в процессе фотосинтеза у растений сопровождаются поглощением диоксида углерода. Попутно, а иногда и в ущерб ассимиляции диоксида углерода растения поглащают из воздуха загрязняющие вещества. Именно с этой особенностью автотрофного метабо- лизма продуцентов связана их более высокая чувствительность к большинству поллютантов. Оценку качества воздуха проводят с помощью чувствитель- ных растений-индикаторов. Разработаны ботанические, биофизи- ческие, дендрохронологические, популяционные и биогеоцено- тические подходы и методы оценки влияния атмосферных за- грязнителей на растительность и биоиндикации чистоты воздуха. С одной стороны, классификация принципов и уровней био- индикации качества воздуха и вообще окружающей среды может быть произведена с учетом уровней организации живой материи: 1 – молекулярный уровень биоиндикации; 2 – субклеточный 11 и клеточный уровни биоиндикации; 3 – органный и организмен- ный уровени; 4 – популяционный уровень; 5 – экосистемный и биогеоценотический; 6 – биосферный. С другой стороны, методы биоиндикации могут классифицироваться по общности методов исследования: 1 – фенологические методы; 2 – морфо- и биомет- рические; 3 – анатомо-цитологические; 4 – физиологические; 5 – биохимические; 6 – биофизические; 7 – флористические; 8 – генетические; 9 – биоценотические; 10 – экосистемные. Биоиндикация может осуществляться по ответной реакции наиболее чувствительных к отдельным ингредиентам видов рас- тений или по накоплению вредных веществ в их теле. Поэтому среди растений выделяют следующие виды: 1 – биоиндикаторы с высокой чувствительностью к поллютантам; 2 – биоиндикаторы- накопители. Для анализа загрязнения лучше использовать первую группу биоиндикаторов, так как изменения и нарушения у них непосредственно отражают (сигнализируют) степень загрязнения воздуха. Во втором случае необходимо дополнительно экспери- ментально определить, при каких уровнях накопления поллютан- тов в организмах находятся (соответствуют) допустимые уровни загрязнения воздуха. Большинство используемых в фитоиндикации методов не- специфичны, так как изменения и нарушения у растений под влиянием загрязнителей, как и многих экстремальных условий, вообще не определены и в то же время часто сходны. Нередко сходный и неспецифичный характер имеют и последующие после стресса биологические последствия и процессы репарации. По- этому признано необходимым для надежности установления природы (причины) нарушений у растений вредными соедине- ниями определять или знать: 1 – состав и концентрации ингреди- ентов в воздухе, время действия; 2 – накопление загрязнителей в тканях растений в опыте и контроле. 12 К сожалению, химические анализы растений на содержание в них поллютантов не дают четкой и надежной информации о за- грязнении воздуха, так как поглощенный листьями ингредиент из воздуха подвергается перераспределению по органам, удалению в почву и воздух, вымыванию осадками. Замечено, что ксенобио- тики (чужеродные растениям соединения – фтор, хлор, свинец, ванадий и др.) накапливаются в растениях и более надежно ха- рактеризуют произведение дозы на время действия, чем элемен- ты-органогены и их соединения (N, S, P, CO 2 , CH 2 O). Начиная с пятидесятых годов ХХ в., в экологии сформиро- валось мнение, что ее проблемы и проблемы охраны природы должны изучаться исключительно с помощью методов современ- ной популяционной и экосистемной экологии. Это четко про- сматривается при анализе программы ГСМОС и национальных программ мониторинга и даже программы «Экологическая безо- пасность России». Нельзя отрицать полезность и важность этих методов, когда изучаются процессы антропогенных нарушений в экосистемах и ландшафтах, когда необходимы специальные рас- четы динамики сообществ, накопления и превращения в трофи- ческих цепях органической материи и энергии и в ряде других случаев. Вместе с тем имеется ряд проблем, изучение которых невозможно этими или только этими методами. С одной стороны, (определение ПДК и ПДС, механизмы повреждения и гибели ор- ганизмов, механизмы связывания, транслокации и обезврежива- ния поллютантов, биоиндикация загрязнения среды, экологиче- ское зонирование территорий и др.) нужны и важны методы и подходы классических наук – физиологии, биохимии, биофизики, молекулярной биологии. С другой стороны, большинство методов этих дисциплин часто более чувствительны и точны (на 2 – 5 порядков), а потому и более эффективны для исследований по биомониторингу и биоиндикации загрязнения среды. Методы современной экологии 13 не только менее чувствительны и информативны для указанных целей из-за высокой сложности систем и интегральности их па- раметров, но чрезвычайно трудоемки и сложны. Поэтому их ни- когда не смогут использовать как экспресс-методы. По ряду гене- тических и чисто экологических причин (генетический полимор- физм и изменчивость, экотипическое разнообразие, различия в экологической валентности видов и экотипов, в гомеостатиче- ских механизмах экосистем, в стено- и эврибионтности видов и др.) методы дем- и синэкологии в биоиндикации качества среды не могут быть признаны надежными и достоверными. |