Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
1.2. Фенологические методы фитоиндикации Многие исследователи отмечают при загрязнении воздуха нарушение феноритмов роста и развития растений и ускорение процессов старения организмов. Начальные фазы распускания почек, облиствения побегов древесных растений и начало цвете- ния (липа), а также пожелтение листьев при загрязнении воздуха до 12 – 17 ПДК ускоряются, продолжительность вегетации со- кращается, но полный листопад заканчивается в близкие сроки, как и в чистой среде. Указанные нарушения феноритмов и разви- тия растений вызваны изменением микроклимата: на загрязнен- ных территориях раньше и быстрее происходит снеготаяние и среднесуточная температура воздуха достигает +5 °С. Такая тем- пература необходима для распускания почек. Вместе с тем фенологические методы биоиндикации приме- нимы для оценки достаточно высоких уровней загрязнения воз- духа (10 ПДК и более). Имеются сведения, что под влияниям некоторых газов мо- жет изменяться окраска генеративных органов и листьев (геспе- рис женский, барбарис обыкновенный), ослабление осенней рас- краски листьев перед листопадом. 14 1.3. Морфо- и биометрические методы Промышленные газы в определенном диапазоне концентра- ций (от 1 ПДК и выше) вызывают у растений появление некрозов (ожогов) на листьях и хвое, уменьшение линейного роста побе- гов, количества и размеров ассимиляционных органов на годич- ных побегах (древесные растения) или на стебле (травянистые растения), уменьшение площади листовой пластинки, сырого и сухого веса листьев годичного побега (ксерофитизация), сниже- ние возраста хвои у хвойных пород, ускорение усыхания нижних ветвей в насаждениях (ель, пихта), сокращение сроков жизни де- ревьев. У хвойных пород более интенсивно идет снижение охвоен- ности (количество хвои на 1 см побега) годичных отрезков побегов. Перечисленные нарушения заметно раньше проявляются у хвойных пород с большой длительностью жизни хвои (ель), не- сколько позднее – у сосны. У лиственных пород, ежегодно сбра- сывающих в умеренно континентальном климате листву, эти же нарушения проявляются при относительно большем уровне за- грязнения воздуха (7 – 10 ПДК и более). Многими исследователями сформулированы и обоснованы методические указания по правилам отбора насаждений, модель- ных деревьев и проб с них для анализов, методов расчета показа- телей. Так, при высоких уровнях загрязнения воздуха морфобио- метрические измерения для получения достоверных различий в вариантах, опыт и контроль можно у хвойных пород проводить в 10-кратной повторности, у лиственных пород – в 20-кратной, а при низких уровнях загрязнения воздуха у хвойных пород – в 20- кратной и более. В качестве модельных лучше отбирать деревья 1-го класса Крафта. 15 1.4. Анатомо-цитологические методы Длительное или постоянное воздействие промышленных газов на растительность вызывает серьезное изменение анатоми- ческого строения листьев и хвои растений и увеличение ксерофи- тизации. В городах и промышленных центрах у растений более мел- кие и несколько более толстые листья, а у хвои более мелкие клетки. Листья имеют меньшую толщину верхнего эпидермиса, кутикулы, меньшую толщину и число слоев палисадной ткани, больше устьиц на 1 мм 2 поверхности листа. Под влиянием про- мышленных газов уменьшается апертура устьиц в течение дня. Степень описанных нарушений в анатомическом строении асси- миляционных органов зависит от концентрации и токсичности газов, а также длительности действия их и чувствительности видов. Серьезные нарушения наблюдаются и в строении фотосин- тезирующих клеток и особенно в хлоропластах и вакуолях. Кис- лые газы вызывают в фотосинтезирующих клетках разбухание клеточных оболочек, псевдовыросты на митохондриях, разбуха- ние и деструкцию хлоропластов (грануляцию и увеличение плот- ности стромы хлоропластов), увеличение количества пластогло- бул и их размеров, набухание мембран хлоропластов и митохон- дрий, редукцию гран, потерю тургора клеток. Так как тонкие изменения структуры клетки можно видеть при больших увеличениях микроскопа, то приготовление срезов и их микроскопирование представляют собой трудную и долго- временную работу. Более быстрыми среди этой группы являются методы биоиндикации с использованием в качестве показателей числа и размеров устьиц на поверхности листьев; дневную дина- мику апертуры устьиц, размеры клеток эпидермиса. 16 1.5. Физиологические методы Многие физиологические процессы у зеленых растений об- ладают высокой чувствительностью к промышленным загрязни- телям. Влияния большой группы кислых (SO 2 , NO x , Cl 2 , HF, озон) и некоторых других (NH 3 , CH 2 O и др.) газов близки, сходны и по- тому неспецифичны. Кислые газы вызывают трехфазное изменение фотосинтеза (1-я фаза – слабое подавление; 2-я фаза – активация; 3-я фаза – устойчивое и глубокое подавление). В полевых условиях обычно фиксируется только подавление фотосинтеза. На основании этого явления (подавление фотосинтеза) был разработан метод опреде- ления физиологических ПДК допустимого загрязнения воздуха для растительности и определены нормативы ПДК для растений по 11 ингредиентам. Так как фотосинтез у продуцентов является одним из самых чувствительных физиологических процессов к действию любых экологических и антропогенных факторов, то указанный выше метод может использоваться как метод биоин- дикации чистоты воздуха. Кислые газы вызывают вначале активацию, а затем подав- ление дыхания листьев растений и изменение химизма дыхания. Активация дыхания вызвана окислением свежих продуктов фото- синтеза, так как почти все газы являются сильными окислителя- ми, а подавление дыхания вызвано полным расходом дыхатель- ного субстрата клетки и прекращением фотосинтеза. Вместе с тем современные методы определения дыхания не позволяют ис- пользовать эти нарушения для биоиндикации загрязнения воздуха. Многие исследователи установили влияние промышленных газов на проницаемость клеточных мембран. Так как многие газы – окислители и проникновение их в клетку происходит через био- мембраны, то окисление их облегчает экзоосмос из клетки в дис- тиллированную воду катионов и анионов. Метод определения 17 изменения проницаемости клеточных мембран листьев и хвои растений по изменению электропроводности дистиллированной воды после 2 – 4-часового пребывания в ней высечек из листьев достаточно прост и доступен для массовых исследований по био- индикации загрязнения воздуха. Разработан новый неэлектро- метрический метод определения нарушения проницаемости кле- точных мембран под влиянием газов. В связи с окислительным процессом биомембран клеток растений газами листья и хвоя быстрее теряют свободную воду. Поэтому в промышленных регионах и крупных городах с высо- ким уровнем загрязнения воздуха листья и хвоя растений имеют меньшую оводненность (процент содержания воды в свежих ли- стьях). Вместе с тем сам показатель оводненности листьев и хвои недостаточно стабилен в природных условиях, так как зависит от многих экологических условий. Поэтому был предложен метод определения водоудерживающей способности листьев растений или скорости потери воды изолированными органами при завя- дании в контролируемых условиях. В этом случае обнаруживает- ся четкая зависимость между названным показателем и степенью загрязнения воздуха. 1.6. Биохимические методы Нарушение фотосинтеза и дыхания растений даже на пер- вых этапах действия газов вызывает изменения их химизма. Мно- гие промышленные газы вызывают изменения метаболизма угле- рода при фотосинтезе: увеличение синтеза С 4 -продуктов, аланин- ный эффект, снижение синтеза полимерных углеводов (сахарозы, крахмала). Происходит деструкция белков, которая ведет к нако- плению свободных аминокислот и органических кислот. Кислые газы вызывают снижение синтеза галактолипидов, уменьшается содержание пальмитиновой кислоты и моноальдегида, повыша- ется содержание этилена, этана и абсцизовой кислоты. 18 Вместе с тем все биохимические методы исследований (изо- топный и радиохроматография, газожидкостная хромотография и др.) чрезвычайно сложны и трудоемки и потому не могут исполь- зоваться как методы биоиндикации загрязнения воздуха. Промышленные газы вызывают у растений нарушение син- теза или окисление некоторых вторичных метаболитов, имеющих важное значение для толерантности клеток. К таким соединениям относятся аскорбиновая кислота (антиоксидант). Исследования, проведенные в условиях усадьбы Ясная Поляна, показали, что у хвойных (ель) и лиственных пород (дуб, липа, береза) в условиях повышенного загрязнения воздуха аммиаком, окислами азота, се- роводородом, формальдегидом и другими (суммарно 13 – 18 ПДК) в течение вегетационного периода 1984 – 1987 гг. со- держание аскорбиновой кислоты в листьях и в хвое было посто- янно ниже, чем в контроле на 20 – 58 %. Метод определения ас- корбиновой кислоты в растениях титрованием по Сапожникову очень прост, что позволяет его рекомендовать для биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха. Однако необходима доработ- ка метода с целью определения корреляции концентрационной (газ) и временной зависимости действия поллютантов на содер- жание аскорбиновой кислоты, а также подбор видов растений- индикаторов. Многие газы оказывают влияние на ферменты фотосинтети- ческого цикла и дыхания. Ферменты фотосинтетического цикла трудны для анализов и потому не могут использоваться для био- индикации. Проще и доступнее методы определения активности окислительных ферментов (пероксидаза, полифенолаксидаза, ас- корбатоксидазы) и нитрат-редуктазы. Сернистый газ вызывает активацию пероксидазы и полифенолоксидазы и ингибирование каталазы. Азотсодержащие газы повышают активность дегидро- геназ и нитратредуктаз. 19 Изменение активности названных ферментов достаточно легко определить фотоколориметрическими и другими методами, и потому его можно использовать для биоиндикации загрязнения воздуха, что подтвердили исследования многих авторов. По из- менению активности пероксидазы финские исследователи смогли картировать зоны разного поражения хвойных лесов и, следова- тельно, определить долговременное действие разных уровней за- грязнения воздуха диоксидом серы. Было даже высказано поло- жение, что по активации фермента пероксидазы можно опреде- лять ПДК допустимого загрязнения воздуха для растительности. Пигментный состав фотосинтезирующих растений привле- кал многих исследователей растений к газам и степени пораже- ния растений, что приближало многих из них к оценке биоинди- кационной значимости этого показателя. К сожалению, пигмент- ный состав листьев и хвои растений достаточно лабильный, неус- тойчивый признак в течение не только вегетации, но и одних су- ток. С другой стороны, изменение пигментного состава растений под влиянием промышленных газов происходит неоднозначно не только в зависимости от концентрации и времени действия газа. Как и в случае с фотосинтезом, содержание пигментов под влия- нием газов изменяется двухфазно (сначала наблюдается даже увеличение содержания пигментов, а затем разрушение их). По- этому, а также в связи с методической сложностью и трудоемко- стью определения пигментов последние не могут широко исполь- зоваться в биоиндикации загрязнения воздуха. Вместе с тем в ря- де случаев исследователи рекомендуют использовать изменение содержания пигментов в растениях для целей биоиндикации за- грязнения воздуха. 1.7. Биофизические методы Биофизические методы исследования жизнедеятельности растений имеют значительные преимущества перед традицион- 20 ными физиолого-биохимическими методами, так как позволяют прижизненно (без умерщвления и растирания) изучать многие процессы в динамике действия любых экологических и антропо- генных факторов. К ним относят электрофизические методы ре- гистрации рН и гН, электропроводности и электрической емко- сти, биолюминесценцию, спектральный анализ и некоторые дру- гие процессы. Многие исследователи установили, что кислые газы вызы- вают снижение рН, Eh и гН, а щелочные газы (NH 3 ) – увеличение их. Использование твердых игольчатых электродов позволяет проводить массовые полевые исследования окислительно- восстановительного потенциала тканей растений под влиянием промышленных загрязнителей. Исследователи нашли, что элек- тросопротивление камбия древесных пород и тканей хвои, био- потенциалы и ответная биоэлектрическая реакция листьев расте- ний на импульсную засветку могут характеризовать уровни за- грязнения воздуха и состояние растений. Под влиянием про- мышленных эмиссий у древесных растений увеличивается элек- тросопротивление тканей с 80 – 100 до 200 – 500 мОм у ослаб- ленных и более 500 мОм у отмирающих деревьев. Следователь- но, этот метод позволяет оценивать как долговременные уровни загрязнения воздуха, так и состояние лесных экосистем. Быстрая и замедленная флуоресценция надежно характе- ризует влияние любых экстремальных условий на фотосинтези- рующие органы растений и состояние, продуктивность растений. Использование этих методов в исследованиях показало, что бы- страя флуоресценция хлорофилла увеличивается или уменьшает- ся в зависимости от чувствительности вида, токсичности газа и скорости его связывания. Замедленная флуоресценция в начале действия газов активируется, а затем подавляется, как и фотосинтез. 21 В полевых условиях с помощью фосфороскопа можно реги- стрировать нарушения замедленной флуоресценции и фотосинте- за и после методической доработки выйти на определение уров- ней загрязнения воздуха и состояния растений. В.Н. Карнауховым, А.С. Керженцевым и В.А. Яшиным предложен люминесцентный метод биоиндикации состояния эко- систем в промышленных регионах. 1.8. Дендрохронологический метод Дендрохронологический метод позволяет изучать измене- ние климатических условий на Земле и действие различных эко- логических и антропогенных факторов на древесные породы и лесные экосистемы. Хвойные и другие кольцепоровые древесные породы благодаря большой длительности жизни позволяют по радиальному годичному приросту реставрировать и анализиро- вать динамику изменений климатических условий в регионах и на континентах за сотни и тысячи лет. Точно также можно изу- чать многолетнюю динамику изменения загрязнения ат- мосферного воздуха в городах и промышленных центрах, так как подавление фотосинтетической деятельности древесных расте- ний и ослабление деревьев и насаждений интегрально отражают- ся на радиальном годичном приросте Установлена надежная кор- реляция между уровнями загрязнения воздуха фтором исниже- нием радиального годичного прироста у сосны, ели и лиственни- цы. Из этих пород ель (длительность жизни хвои от 7 до 15 лет в контроле) проявила большую чувствительность к фтору (сниже- ние годичного радиального прироста более существенно). Мень- шая чувствительность к фтору у лиственницы (хвоя ежегодно опадает). 22 Разработаны некоторые методические правила для повыше- ния эффективности дендрохронологического метода биоиндика- ции загрязнения воздуха. Дендрохронологический метод биоин- дикации перспективен еще и потому, что он позволяет рассчитать снижение прироста древесины за год и, следовательно, экономи- ческий ущерб от загрязнения воздуха и одновременно состояние лесных экосистем. Так, промышленная пыль, как и многие газы, за 5 – 7 лет до гибели дерева вызывает очень сильное подавление радиального годичного прироста. Последнее можно и следует связывать с резким сокращением охвоенности кроны, возраста хвои и подавлением фотосинтеза у оставшейся хвои в кроне. 1.9. Флористический метод В районах действия крупных промышленных предприятий (Братск, Норильск, Мончегорск и др.) четко выделяются 3 – 5 зон уровней загрязнения воздуха и дигрессии насаждений. Здесь по зонам можно четко проследить изменение уровня загрязнения воздуха и распада, гибели насаждений. Вначале действия газов и пыли и при низких уровнях загрязнения воздуха погибают и ис- чезают наиболее чувствительные лишайники Usnea, Alectoria, Bryopogon (среднемноголетняя концентрация SO 2 – 3, HF – 1 мкг/м 3 ), а затем более устойчивые лишайники и мхи (Hypogym- nia, Parmelia, Sphagnum) – концентрация SO 2 – 3 – 7; HF 1 – 3 мкг/м 3 . Затем повреждаются и усыхают хвойные породы (сосна, ель) и лишь при высоких среднемноголетних концентрациях га- зов – вначале чувствительные, а затем менее чувствительные ли- ственные породы. Последние погибают (I зона) при концентра- ции SO 2 и HF 3 – 5 ПДК и более. Таким образом, изменение флористического состава расти- тельности, исчезновение подроста хвойных пород, и в первую 23 очередь лишайников может использоваться для биоиндикации загрязнения воздуха и состояния наземных экосистем. Для этих целей может использоваться ряд флористических показателей: индекс видового разнообразия, плотность покрытия поверхности почв, индекс жизненного состояния и др. Ряд авторов приводит списки особо чувствительных видов растений к отдельным загрязнителям. Искусственный посев та- ких чувствительных видов на различных расстояниях от источ- ника эмиссий и постоянный морфобиометрический контроль мо- гут позволить выявить уровни загрязнения воздуха и критические или пороговые уровни загрязнения. Вместе с тем флористические методы биоиндикации более субъ- ективны и менее надежны, чем другие перечисленные выше методы. 1.10. Популяционные и экосистемные методы Влияние атмосферных загрязнителей на растения в опреде- ленном интервале концентраций и времени действия можно ква- лифицировать как химический стресс. Обнаружение стресса на популяционном уровне может быть критерием (индикатором) на- личия воздействия атмосферных токсикантов на растительность. В этом случае можно регистрировать изменения различных па- раметров популяции: скорость размножения; плотность, смерт- ность особей; возрастной состав популяции; динамику численности; повышение изменчивости ряда параметров популяции и др. При действии досублетальных концентраций токсикантов, когда в популяциях проявляются процессы адаптации, последняя должна сопровождаться повышением изменчивости ряда морфо- биометрических признаков у особей популяции. Анализ измен- чивости признаков популяции при разных уровнях загрязнения 24 среды позволит разработать критерии, полезные для последую- щей биоиндикации загрязнения воздуха и, возможно, экологиче- ского нормирования химических нагрузок. Индикация уровня рекреационной нагрузки, не затрагиваю- щей эдификаторного (верхнего) яруса биоценоза, может осуще- ствляться путем наблюдения за соотношением численности рас- тительных доминантов и эксплерентов, т.е. видов травяного яру- са, полностью приуроченных к одной ассоциации. В интервале более значительных нагрузок, уже угрожающих целостности рас- тительного покрова, целесообразно учитывать видовой состав и проективное покрытие ценофобных видов. Биоиндикация антропогенных воздействий на биосферу может быть обеспечена средствами динамической биогеоценоло- гии (синдина-мики). Первые исследования биогеоценотического уровня в Бело- руссии показали, что атмосферные загрязнители вызывают уменьшение индекса разнообразия видов и плотности покрытия почвы чувствительными видами, снижение бонитета и полноты насаждений, запаса древесины на 1 га, уменьшение среднего диаметра и высоты главной породы, среднего годичного прирос- та на 1 га, изменение соотношения (процента) деревьев разных форм по состоянию (уменьшение здоровых деревьев и увеличе- ние ослабленных и усыхающих), снижается КПД фотосинтеза и транспирации, усиливается отпад вегетативных органов, ослабля- ется разложение подстилки, увеличивается проникновение под разреженный полог насаждений кустарников и ксерофильной травянистой растительности (злаки). |