Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
1.11. Генетические методы Важным результатом многолетнего периода исследований влияния химических загрязнителей на растения было доказатель- 25 ство генетической природы их газоустойчивости. Вместе с тем до сих пор генетики мало интересуются генетическими последст- виями воздействия атмосферных загрязнителей. Под влиянием атмосферных загрязнителей падает митоти- ческая активность, увеличивается частота хромосомных аберра- ций, изменяется спектр перестроек, увеличивается процент пере- строек хроматидных мостов, появляются многополюсные мито- зы. Установлено, что изменения активности пролиферации кле- ток, частоты и спектра хромосомных аберраций меристем и зача- точных листочков древесных растений могут быть использованы как критерии загрязнения среды газами и тяжелыми металлами. Выявлены наиболее чувствительные виды растений для цитоге- нетической биоиндикации (береза повислая, сирень обык- новенная, конский каштан обыкновенный). Цитогенетические методы биоиндикации, однако, не могут быть экспресс-методами полевых исследований. 1.12. Лихеноиндикационный метод Лихеноиндикация как метод определения степени за- грязнения воздуха заняла в последнее время среди других мето- дов оценки состояния окружающей среды определенное и дос- тойное место. По сравнению с аэрохимическими методами лихе- ноиндикация имеет ряд положительных моментов: 1) это быст- рый и дешевый метод картирования химических нагрузок на больших территориях; 2) метод позволяет фиксировать состояние воздушной среды за длительные сроки. Вместе с тем этот метод можно применять только в тех городах и лесных экосистемах, где есть лишайники. При отсутствии лишайников (лишайниковая пустыня) этот метод теряет смысл. В настоящее время изучена чувствительность различных видов лишайников к ряду загрязни- телей, определена их полетолерантность. 26 Исследования в северной тайге на Кольском полуострове показали, что эпифитные кустистые лишайники (Usnea, Alectoria, Bryopogon) выдерживают многолетние предельные допустимые концентрации SO 2 до 3 мкг/м 3 , HF – 1мкг/м 3 и пыль – 0,01 мг/м 3 ; эпифитные листоватые лишайники родов Hypogymnia, Parmelia, Parmeliopsis и мох Sphagnum выдерживают SO 2 – 3 – 7 мкг/м 3 , HF – 1 – 3 мкг/м 3 и пыль 0,01 – 0,2 мг/м 3 С помощью химического анализа серы в слоевище лишай- ника Hypogymnia physodes было обнаружено, что в первично чистом районе Белоруссии при фоне SO 2 1,9 – 3,3 мкг/м 3 в ли- шайнике содержится 5 мкг SO 4 в 1 г, слабозагрязненном районе – 10 мкг SO 4 2- в 1 г и в сильнозагрязненном районе, где заметна дигрессия хвойных насаждений, – 60 мкг/м 3 . Следовательно, с помощью химического анализа слоевища лишайника Hypogymnia physodes можно определять среднемноголетнюю концентрацию SO 2 в воздухе. Исследователями (Х.Трасс, Андерсон, Трешоу) разработан индекс атмосферной чистоты (ИАЧ). Он вычисляется по формуле ИАЧ = ∑(Qf) /10 , где Q – экологический индекс определенного вида (или индекс токсифобности); f – комбинированный показатель покрытия – встречаемость. Показатель ИАЧ имеет широкую амплитуду от нуля (отсут- ствие лишайников) до 50 – 60 и более. Чем чище воздух, тем больше показатель ИАЧ. С помощью ИАЧ были картированы зоны загрязнения воз- духа во многих крупных городах Западной и Центральной Европы. Таким образом, метод лихеноиндикации достаточно прост и удобен для индикации атмосферного загрязнения и картирования многолетних химических нагрузок на лесные экосистемы. 27 Тесты для самоконтроля * 1. Биологические методы мониторинга загрязнения объек- тов окружающей среды позволяют оценить: а) химический состав загрязняющих веществ; б) определить влияние критически опасных уровней загрязнения на живые ор- ганизмы; в) оценить воздействие всего комплекса вредных фак- торов на живые организмы; г) оценить влияние отдельных за- грязнителей на здоровье человека. 2. Какие из указанных растений являются наиболее чувстви- тельными индикаторами загрязнения воздуха диоксидом серы и фторводородом? а) кукуруза, рожь; б) сосна, ель; в) овес, горох; г) одуванчик, подорожник большой. 3. Какие из указанных загрязнителей наиболее опасны для фотосинтетического аппарата растений? а) SO 2 и NO 2 ; б) СО и СН 4 ; в) С 2 Н 4 ; г) СО и С 2 Н 6 4. В каких методах биоиндикации изучается зависимость между уровнем загрязнения воздуха и подавлением фотосинтеза? а) анатомо-цитологических; б) морфо-биометрических, фи- зиологических; г) фенологических. 5. Нарушения феноритмов роста и развития растений про- исходят: а) при низких уровнях загрязнения воздуха (меньше или равно ПДК); б) высоких уровнях загрязнения воздуха (более 10 ПДК); в) увеличении в воздухе концентрации СО 2 ; г) возрастании в воздухе концентрации СН 4 * Ответы на тесты приведены в прил. 3. 28 6. Какие методы фитоиндикации основаны на изучении за- висимости между уровнем загрязнения воздуха и уменьшением линейного роста побегов, размеров листьев? а) фенологические; б) биохимические; в) анатомо- цитологические; г) морфобиометрические. 7. Анатомо-цитологические методы фитоиндикации основа- ны на изучении зависимости между уровнем загрязнения воздуха и: а) биофизическими параметрами тканей растений; б) морфо- биометрическими показателями растений; в) содержанием пол- лютантов в тканях растений; г) нарушениями в анатомическом строении ассимиляционных органов. 8. Дендрохронологический метод биоиндикации загрязне- ния воздуха проводится по изменению: а) радиального годичного прироста древесных пород; б) ви- дового состава фитоценозов; в) биохимических показателей рас- тений; г) морфобиометрических показателей растений. 9. Какие из указанных методов фитоиндикации могут быть использованы для изучения изменения климата под воздействием загрязнения воздуха в различных континентах и регионах? а) флористические; б) физиологические; в) дендрохроноло- гические; г) морфобиометрические. 10. Какие из указанных растений используются в качестве индикаторных в генетических методах биоиндикации загрязне- ния воздуха? а) клен американский, тополь пирамидальный; б) крапива двудомная, полынь горькая; в) береза повислая, сирень обыкно- венная; г) горчица белая, люпин многолетний. 29 11. Методами лихеноиндикации можно оценить: а) среднемноголетний уровень загрязнения воздуха SO 2 , NO 2 , HF; б) среднемноголетний уровень загрязнения воздуха СО, СН 4 , СН 2 О; в) уровень загрязнения воздуха токсичными газами в момент исследования; г) изменение среднегодовых температур воздуха за длительный период. 12. В генетических методах биоиндикации загрязнения воз- духа регистрируются: а) изменения различных параметров популяции растений; б) изменение видового состава растительных сообществ; в) изме- нение частоты хромосомных аббераций, митотической активно- сти; г) нарушение процессов фотосинтеза и дыхания растений. 30 2. МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ ПОЧВ 2.1. Биоиндикация почв по видовому составу почвенных беспозвоночных Почва, выполняя свои экологические функции, обеспечива- ет стабильность отдельных биогеоценозов и биосферы в целом, поэтому мониторинг состояния почв имеет особо важное значе- ние. В настоящее время разработано множество методов и мето- дик оценки состояния почв: по состоянию растительных и жи- вотных биоиндикаторов; показателям биологической активности почв (активности почвенных ферментов, дыханию почв, целлю- лозолитической активности и т.д.). В основе этих методик лежит визуальное наблюдение за из- менением видового состава мезофауны и макрофауны. Видовой состав животных, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения группировок и численности видов в них могут свиде- тельствовать о загрязнении почв различными веществами и из- менении структуры почв под влиянием антропогенных факторов. В соответствии с этим биоиндикация химического загрязнения почв с помощью беспозвоночных применима только для одного типа почвы в пределах одной почвенной зоны, для которой ха- рактерен определенный перечень животных биоиндикаторов, районированных в данной климатической зоне, для данного типа почв. Данная методика предназначена для использования в уме- ренном климатическом поясе с подзолистыми, дерново- подзолистыми и серыми лесными почвами. Методика применима 31 только в весенне-летний период. Это связано с увеличением жиз- ненной активности почвенных беспозвоночных. 2.2. Требования к индикаторным видам Правила проведения биоиндикации: – биоиндикатор должен быть наиболее приспособлен к су- ществованию в строго определенных условиях среды обитания (стенотопные виды); более редкие виды в биоценозах, как прави- ло, являются лучшими индикаторами, нежели широко распро- страненные (эвритопные виды); – при работе отдавать приоритет более крупным видам био- ценозов, так как последние являются лучшими индикаторами по сравнению с мелкими вследствие того, что скорость оборота по- следних в биоценозах выше и они могут не попасть в пробу в момент исследования; – при выделении вида (группы видов), используемого в ка- честве биоиндикатора, необходимо иметь экспериментальные данные о лимитирующих значениях вредного воздействия среды с учетом возможных компенсаторных реакций вида и его толе- рантности; – отдавать предпочтение численному соотношению разных видов, так как последнее более показательно, нежели числен- ность одного вида (относительные оценки всегда предпочтитель- нее абсолютных); – биоиндикатор должен быть универсальным (чем в боль- шем количестве климатических зон распространен биоиндикатор, тем он более универсален); – минимизация усилий при работе в полевых условиях, т.е. при равных достоинствах выбирать тот биоиндикатор, с которым удобнее и дешевле работать. 32 2.3. Эколого-биологическая характеристика почвенных животных, используемых в качестве биоиндикаторов Животные обитатели почв принимают активное участие в разложении мертвых растительных остатков наряду с почвенны- ми бактериями и грибами. Почвенные животные оказывают су- щественное влияние на химизм почв, образование гумуса, струк- турные свойства, биологическую активность и в целом на поч- венное плодородие. Все животные, обнаруживаемые в почвах, могут быть раз- делены на три группы: геобионты, геофилы и геоксены. Геобионты – постоянные обитатели почв (например дожде- вые черви, многоножки, ногохвостки). Геофилы – животные, живущие в почве на протяжении час- ти жизненного цикла (личинки клещей, щелкунов, медведок). Геоксены – животные, лишь временно укрывающиеся в почве (например вредная черепашка, некоторые насекомые (ко- лорадский жук)). Почва – сложная среда, в ней есть и воздушные полости, и тонкие капилляры, заполненные раствором с разной концентра- цией органических и минеральных веществ, и огромная площадь твердых поверхностей; почва может быть рыхлой и плотной. По- этому заселение почвы как в целом, так и отдельных ее слоев и микролоскутов производится животными по-разному в зависимо- сти от величины их тела, типов дыхания и питания. Учитывая особенности образа жизни и влияние на почву животных разных размеров, их делят на три группы, что оправ- дывается также необходимостью применения для каждой из них специфических методов количественной оценки содержания в почве. Чаще выделяют три группы: микро-, мезо- и макрофауну. Ино- гда из первой вычленяют нанофауну, а из последней – мегафауну. 33 Нанофауна представлена одноклеточными простейшими, размеры которых не выходят за пределы двух – трех десятков микрометров. Они живут в водной фазе почвы, в почвенных но- рах, заполненных водой, и по сути своей являются не столько гео-, сколько гидробионтами. Популяции некоторых видов встре- чаются как в почве, так и в водоемах, но, как правило, почвенные формы в несколько раз мельче водных. Представители нанофау- ны отличаются также способностью долго находиться в состоя- нии покоя в форме цист и переживают в таком виде неблагопри- ятные периоды, связанные с иссушением и промерзанием почвы. Микрофауна представлена многоклеточными микроскопи- ческими животными, такими как коловратки, нематоды, тихоход- ки. Они живут во влажных средах – в норах и камерах, атмосфера которых насыщена парами воды. К этой же группе относят мик- роскопических клещей и ногохвосток, которые составляют аэробную группировку мелких почвенных животных. Их распре- деление в почве зависит от мертвых растительных остатков и гу- муса, некоторые из них связаны с корнями живых растений. Мезофауна объединяет разнообразную и многочисленную часть почвенного животного населения с размерами, которые по- зволяют видеть этих животных невооруженным глазом или под лупой и собирать вручную. Основную массу мезофауны состав- ляют членистоногие: мелкие виды насекомых, многоножки- симфилы, мокрицы, пауки, а также мелкие черви энхитреиды. Живут они в полостях и способны к вертикальной миграции по скважинам и крупным порам. Макрофауна представлена в почве дождевыми червями, многоножками и личинками насекомых. Для них почва выступа- ет как плотная среда, при передвижении в которой необходимо активно прокладывать себе ходы. Эти животные роют норки или же продвигаются по естественным скважинам, расширяя их при этом. 34 Мегафауна почв – это крупные животные, размеры которых достигают десятков сантиметров. К ним относятся землерои и ги- гантские земляные черви. В экологическом мониторинге используются главным обра- зом представители мезо- и макрофауны. Экологические группы почвенных животных выделяются не только по размерам, что отражается непосредственно на их воз- действии на почву, но также по типам питания, что определяет положение организмов в тропических цепях биотического сооб- щества. Среди почвенных животных есть следующие трофиче- ские группы: фитофаги, зоофаги, некрофаги, сапрофаги. Фитофаги считаются тканями корней живых растений, на- нося ущерб сельскому и лесному хозяйству. Например, личинка майского хруща подгрызает корни молодых сеянцев сосны. Свекловичная нематода внедряется в корни сахарной свеклы до образования корнеплода и вызывает значительные потери уро- жая. Зоофаги поедают других почвенных животных, выступая в роли хищников или паразитов. Примерами могут служить все на- секомоядные животные: нематоды, питающиеся простейшими и коловратками, хищные клещи, пожирающие нематод, коллембол, энхитреид. Некрофаги питаются трупами животных, выступая в роли санитаров в природных экосистемах. Сапрофаги перерабатывают мертвые остатки растений, опад и отпад как на поверхности почвы – в подстилке, так и в зоне корневых систем. К ним относятся черви, многоножки, мокрицы, некоторые клещи и личинки насекомых. К сапрофагам относят копрофагов, питающихся экскремен- тами других животных, главным образом млекопитающих (жуки- навозники). 35 2.4. Таксономические группы почвенной фауны, используемые в экологическом мониторинге почв Черви Черви (Vermes) – сборная группа беспозвоночных, объеди- няющих несколько типов животных с двусторонне-симметрич- ным вытянутым телом. Черви входят в состав всех размерных групп. Первичнополостные черви – коловратки и нематоды – отно- сятся к микрофауне. Коловратки (Rotatoria) – самые мелкие из многоклеточных животных размерами от 0,01 до 2,5 мм. Название их связано с наиболее характерным признаком – наличием коловращательного аппарата, состоящего из круговых рядов ресничек на передней части тела (рис. 2.1). Этот ресничный аппарат служит для пере- движения и захвата пищи. Рис. 2.1. Коловратки (1, 2) и нематоды (3, 4) Нематоды (Nematode) – круглые черви (см. рис. 2.1), наибо- лее разнообразны и многочисленны из всех многоклеточных жи- вотных, живущих в почве. Биомасса их в культурных почвах дос- 36 тигает 5 г/м 2 . Размеры свободноживущих нематод от 0,05 до 5 мм. По образу жизни, связанному с типом питания, нематоды со- ответствуют ряду от чисто сапрофитных форм через полупарази- тов до настоящих паразитов растений. Кольчатые черви представлены в почве малощетинковыми кольчецами, или олигохетами (Oligochaeta). Среди олигохет наи- большее значение для мониторинга почв имеют энхитреиды и земляные, или дождевые, черви. Энхитреиды относятся к мезофауне почвы. Их размеры ко- леблются от 2 – 3 до 40 – 50 мм в длину при толщине 0,2 – 0,8 мм. Плотность популяций энхитреид в почвах луговых угодий составляет до 120 тыс./м 2 , а биомасса – до 50 г/м 2 . Энхитреиды очень чувствительны к засухе и высоким температурам. Они ак- тивны в постоянно влажной среде, но избегают переувлажненных почв, где мало кислорода. Основная масса энхитреид сосредото- чена в верхнем корнеобитаемом слое почвы, так как основная их пища – отмирающие корни. Дождевые (земляные) черви (рис. 2.2) на территории РФ представлены главным образом видами семейства люмбрицид (Lumbricidae). Рис. 2.2. Соотношение размеров дождевых червей: 1 – Megascolides australis; 2 – Allobophora magnifica; 3 – Lumbricus terrestris; 4 – L.rubellus 37 Это преимущественно крупные виды, входящие в состав микро- фауны. Все дождевые черви – истинные геобионты. Распростра- нение дождевых червей связано с климатическими факторами и типом почв. Важным условием является влажность. При засухе и ранних заморозках черви обычно погибают в массовом количест- ве. Плохо переносят они и высокие температуры. Наименьшая численность дождевых червей наблюдается в кислых почвах. При pH около 4 они обычно погибают. Моллюски Моллюски (Mollusca) в почвенной биоте представлены брюхоногими, или гастроподами. К ним относятся улитки и слизни (рис. 2.3). Рис. 2.3. Моллюски: 1 – улитка Helix vulgaris; 2 – слизень Arion empiricorum Моллюски в большинстве гидробионты. К наземному обра- зу жизни приспособились так называемые легочные улитки – группа брюхоногих моллюсков, встречающихся от тундры до тропиков. Особую группу наземных моллюсков составляют голые слизни. Их раковина нацело обрастает мантией и становится ру- диментарной, а у некоторых исчезает полностью. Слизни обита- ют в тех местах, где почва достаточно влажная. |