Біоіндикація ґрунтового середовища

Загальне уявлення про перспективи застосування біоіндикаторів для оцінки ґрунту

Розвиток методів біоіндикації стосовно ґрунтів пов'язаний з роботами засновника вітчизняної ґрунтової зоології М.С.

На даний час біоіндикація застосовується у випадках:

• встановлення таксона ґрунту та його походження;

• з'ясування окремих властивостей ґрунту і ґрунтових процесів;

• оцінки антропогенного втручання (рекреація, забруднення, евтрофікація ґрунтів).

Визначення таксона ґрунту та його походження:

1. З'ясування природи червоноколірних ґрунтів південного берега Криму за даними ґрунтової фауни. З приводу походження цих ґрунтів існували дві гіпотези ґрунтознавців: 1) це такі ж ґрунту, як червоноколірні ґрунти (terra rossa) в Італії, 2) це релікти третинної епохи, які повинні зникнути.

За даними ґрунтової зоології виявилося, що 96% всіх видів безхребетних червоноколірних ґрунтів Криму мають середземноморське поширення або ширше, і тільки 4% мешкають в інших областях. В інших типах ґрунтів південного берега Криму середземноморські види поступаються більш широко розповсюдженим. Безхребетні вказують на те, що умови проживання (і перш за все гідротермічний режим) в червоноколірних ґрунтах Криму такий же, як і в інших червоних ґрунтах Середземномор'я. Отже, з точки зору ґрунтової зоології, червоноколірні ґрунти на виходах вапняків у Криму - це terra rossa, що утворюються в даний час, а не реліктові ґрунти.

2. З’ясування природи ґрунтів безлісих гірських вершин півнчно-західного Кавказу. Це степові ділянки на висоті, де міг би рости ліс. Ґрунти під ними фахівці відносили то до чорноземам, то до гірничо-луговим, то до перегнійно-карбонатних і т.д.

Обліки ґрунтової фауни показали, що вона складається в основному з тих же видів, які переважають в ґрунтах цілинних різнотравно-ковилово-типчакових степах на рівнині.

3. Чорноземи іноді можуть формуватися під світлими дубовими лісами (південь Молдавії, Центрально-Чорноземний заповідник). Було показано, що населення безхребетних тут схоже з населенням степів, а не лісів. У таких випадках тварини більш чітко відображають ґрунтові умови, ніж природний рослинний покрив.

З'ясування окремих властивостей ґрунту

• Механічний склад

Мокриці - показники важких ґрунтів (в піщаних ґрунтах їх норки обрушуються). По залишках пустельних мокриць встановлено, що сучасні такири недавно були солончаками. Вертикальний розподіл мікроартропод корелює із загальним профілем ґрунту.

• Види гумусу

Грубий гумус (мор) - діагностують багатоніжки-геофіліди, м'який гумус (мулла) - личинки комарів-довгоніжок. В даний час для окремих груп, наприклад, колембол, виявлені види, характерні для різних видів лісового гумусу.

• Оглеєня - чорниця, гадючник в’язолистий, вербейник звичайний.

Ступінь гуміфікації органічних залишків

Зоологічна характеристика компостів за Н.М. Черновою [Чернова, 1966] дозволяє відрізняти різні стадії дозрівання компостів за переважанням різних груп безхребетних (в зрілих компостах багато дощових черв'яків, серед колембол переважають білі ґрунтові форми).

Різні стадії розкладання деревини здійснюються за участю різних груп організмів, які можуть служити індикаторами. Першу стадію маркують жуки-вусачі і короїди, другу - ферментативна активність грибів, третю - мурахи і четверту - дощові черв'яки.

• Кислотність (pH)

Кислотність - один з провідних чинників, що визначають видовий склад і чисельність співтовариств ґрунтових безхребетних. Чисельність дощових черв'яків, наприклад, зазвичай прямо пропорційна pH від 3 до 8.

- Крайні Ацидофіли (pH 3-4,5): сфагнум, гілокоміум, дікранум, плавуни, водяника, марьянник луговий, ожика волосиста, пухівки вагінальна, щучка, білоус, верес;

- Помірні Ацидофіли (pH 4,5-6): чорниця, брусниця, багно, сухоцвіт, котячі лапки, мучниця;

- Нейтральні (pH 6-7,3): рослини дібров - снить, полуниця зелена, гадючник звичайний;

- Базофіли (рН> 7,8): бузина, в'яз, бруслина, жостір, кропива дводомна, хміль, бальзамін, гравілат.

• Вміст кальцію

Калькофіли - це наземні раковини молюсків, багатоніжки-диплоподи, сухопутні рачки- мокриці, раковина або панцир яких складаються, в основному, з вуглекислого кальцію. Велика кількість цих груп в ґрунті вказує на значний вміст кальцію.

• Вміст азоту.

- Нітрофіли (бальзамін, кропива дводомна, хміль, малина, іван-чай, зірочник гайовий, лопух, собача кропива);

- Нітрофоби (дрік красильний).

• Запас поживних елементів у ґрунті (трофність):

- Оліготрофи (сфагнові мохи та лишайники, з квіткових - види з мікоризою: чорниця, брусниця, верес, журавлина, багно; рослини піщаних ґрунтів: котяча лапка, ястребинка волосиста);

- Мезотрофи (зелені мохи, суниця, грушанка, вероніка дібровна, іван-да-мар'я, материнка);

- Євтрофи (мох мніум, папороть страусове перо, малина, гадючник звичайний, кропива дводомна, іван-чай, медунка).

• Гідротермічний режим

У Східному Сибіру зустрічальність в ґрунті личинок травневого хруща говорить про те, що вічна мерзлота залягає не ближче 2,2-3 м від поверхні ґрунту і що взимку не відбувається змикання промерзлого шару з вічною мерзлотою. У Європейській частині присутність личинок травневого хруща - показник глибокого залягання фунтових вод.

Діагностика елементарних ґрунтових процесів

Існує 14 елементарних ґрунтових процесів (ЕГП), в тому числі оглеєння, олучнення, утворення лісової підстилки, остепніння, засолення та ін. Для діагностики цих процесів можуть бути використані екогрупи ґрунтових безхребетних, в яких види об'єднанні за подібністю просторового розподілу. Особливо акцентують увагу на виділенні екогрупи за катеном - ландшафтним профілем, що проходить від місцевої депресії до місцевого вододілу. Так, для степової катени Барабинской низовини Мордкович виділив вісім екогруп імаго турунів: пойменно-болотна, болотяна, солончакова, лісова, лучно-лісова, солонцева, лугова і степова (Мордкович, 1985).

Те, що види воліють одну і ту ж частину катени, говорить про їх адаптованості до якогось одного інтегрального фактору, який є провідним в даному типі ґрунтів.

Далі проводиться діагностика типів ґрунтів за спектрами екогруп. Тип ґрунтів характеризується певним поєднанням ЕГП. А так як кожному ЕГП відповідає певна екогрупа, то типу ґрунту відповідає певний спектр екогруп. Наприклад: звичайний чорнозем відрізняється домінуванням турунів степової екогрупи (74%), що вказує на визначальну роль степового гумусонакопичення в процесі формування чорнозему. Наявність 15% лугових видів маркує прояв процесу олуговіння у вологі сезони. Невелика частка участі інших екогруп (болотної, лучно-лісової, солонцевих і лісової) свідчить про минулі процеси гідроморфізму чорнозему і його можливе залісення в минулому. Обмеження методу: для кожного регіону потрібно розробляти свої екогрупи організмів.

Антропогенний вплив на ґрунти

За Р.Р. Кабіровим з співавторами (Кабиров, 2010), багатокомпонентні тест-системи, призначені для біотестування ґрунтового і снігового покриву повинні включати:

1) про- і еукаріотичні організми,

2) представників двох трофічних рівнів: автотрофов і гетеротрофів,

3) представників з основних функціональних блоків наземних екосистем - продуцентів, консументів і редуцентів,

4) представників з основних царств живого - бактерій, грибів, рослин, тварин,

5) тест-організми, що добре ростуть в лабораторних умовах,

6) організми, що володіють високою чутливістю до найбільш поширеним забруднювачів природного середовища,

7) організми з широкими ареалами поширення, з добре вивченою екологією і біологією,

8) такі тест-реакції тест-об'єктів, реєстрація яких не вимагає складної і дорогої апаратури, але в той же час несучих достатній обсяг інформації.

Ті ж автори пропонують наступний склад багатокомпонентної тест-системи:

1) сіїхоцистіс водяний (ціанобактерій, прокаріот, автотрофи, продуцент, поширений в солонуватих або забруднених водоймах і ґрунті),

2) хлорела звичайна (нижчу рослина, еукаріот, продуцент),

3) пеніціллум ціклопіум (гриб, еукаріот, гетеротрофи, сапрофіт, консументи),

4) овес посівної (вища рослина, еукаріот, автотрофи, продуцент).

У цих тест-рослин визначають наступні тест-реакції:

• у ціанобактерій і мікроскопічних водоростей - розмноження і ріст клітин у ґрунтовій витяжці. Збільшення чисельності клітин вимірюють по зміні оптичної щільності суспензії на фотоелектроколориметрі або на спектрофотометрі;

• у мікроскопічних грибів - ріст колоній на агаризованому середовищі, приготовленому з ґрунтової витяжки;

• у вищих рослин - схожість і енергія проростання насіння, замочених у ґрунтовій витяжці.

Оцінка екологічного стану ґрунтів за змінами видового біорізноманіття ґрунтових безхребетних тварин

Для дослідження стану ґрунтового покриву використовуються переважно представники мезо- і макрофауни.

Мезофауна об’єднує різноманітну і численну частину ґрунтового тваринного населення з розмірами, які дозволяють бачити цих тварин неозброєним оком, або під лупою, і збирати вручну. Основну масу мезофауни складають членистоногі: дрібні види комах, багатоніжки- сімфіли, мокриці, павуки, а також дрібні черви енхітреїди. Живуть вони в ґрунтових порожнинах і здатні до вертикальної міграції по пустотах і крупних порах.

Макрофауна представлена в ґрунті дощовими хробаками, багатоніжками і личинками комах. Для них ґрунт виступає у якості щільного середовища, при пересуванні в якому необхідно активно прокладати собі ходи. Ці тварини риють норки, або ж просуваються по природним пустотам, розширюючи їх простір.

Опис методу. Вибірка тварин проводиться за методом ґрунтових розкопок. Розміри обраної пробної площадки залежать від ступеня зволоженості ґрунту (найчастіше 0,5 ? 0,5 м, в сухих районах до 1-2 м²).

Розкопки проводять наступним чином: визначають розміри ділянки, забивають по кутах кілочки, натягують між ними мотузку. Потім від меж відведених ділянок прибирають опад та підстилку (якщо проба береться у лісі) або суху землю поверхневого шару. Поруч з ділянкою розстеляють клейонку або щільну тканину, на яку кладуть вибраний з розкопки ґрунт. Спочатку з ділянки знімають опад та інші рослинні залишки, які ретельно вручну перебирають, враховуючи всіх знайдених при цьому тварин, а траву виривають для того, щоб полегшити розбірку ґрунту з верхнього шару. Тварин, знайдених на поверхні ґрунту, підраховують окремо від тих, яких вибирають безпосередньо з нього.

Після видалення розібраних рослинних залишків приступають до викопування ґрунту

лопатою. Невеликі порції ґрунту, що викидаються на розкладену поруч з майданчиком клейонку, ретельно перетираються руками, розбиваються великі грудки, розривається дерновини. Весь ґрунт з шару порція за порцією перетирають між долонями, ретельно вибираючи тварин. Тварин збирають окремо з кожної проби і кожного шару.

Видове біорізноманіття - найбільш часто використовуваний показник, що враховує два компоненти - видове різноманіття (кількість видів, які спостерігаються в природних умовах проживання на певній площі або об'ємі) і кількісний розподіл за видами.

Кількісно видове різноманіття (BP) характеризують за допомогою індексів. Найбільш широко використовують індекс Сімпсона, при обчисленні якого використовують чисельність організмів і-го виду пі, знайдених на майданчику біоіндикації, і загальну чисельність всіх видів N.

Методика забезпечує виявлення зон екологічних аномалій на місцевості з ймовірною помилкою не більше 20%. Величина похибки гарантується при дотриманні наступних норм біоіндикації:

- кількість майданчиків, що обстежуються - 3-5;

- розмір площадки біоіндикації ґрунтового покриву не менше 1 м²;

- розміри ґрунтової прикопки: 0,25?0,25 м на глибину зустрічальності безхребетних 20 см.

Індекс Сімпсона розраховується за формулою

де Di - індекс Сімпсона, розрахований для кожної площадки біоіндикації;

Pl...Pi - частка кожного виду в сумарному біорізноманітті, взятому за одиницю.

Pi розраховують таким чином:

де пі - чисельність і-го виду на майданчику біоіндикації;

N - загальна чисельність всіх видів на майданчику біоіндікації.

Відносний показник видового біорізноманіття на майданчику біоіндикації досліджуваної території розраховують за формулою:

для проведення оцінки необов’язково використовувати дані по всій фауні, можна обмежитися аналізом характерних груп видів, за якими отримана надійна інформація.

Шляхом порівняння отриманих значень відносного показника видового біорізноманіття з критеріальними параметрами (табл. 4.16), отримуємо оціночний показник екологічної ситуації на досліджуваній території.

Таблиця 4.16

Критерії оцінки екологічного стану ґрунтового покриву

Узагальнення прийнятих в біоіндикації підходів до аналізу результатів

З наведеного вище матеріалу зрозуміло, що такі складні біологічні об'єкти, як популяції, спільноти, екосистеми в воді або на суші можна описувати з використанням двох різних підходів:

• мікроскопічний підхід передбачає накопичення по можливості повної інформації про найбільшій кількості біологічних показників. Ці показники намагаються пов'язати з характеристиками середовища системою рівнянь. Підхід використовують для моделювання.

• макроскопічний підхід заснований на виборі небагатьох, але найбільш інформативних

Прикладна екологія показників. Вони можуть бути двох категорій: дескриптори і маркери. Дескриптори - це інтегральні характеристики, одержувані з сукупності показників «мікроскопічного» опису (наприклад, індекс біологічної інтегрованості). Маркери - найбільш істотні, ключові характеристики, вибрані з числа інших, такі як видове різноманіття або продуктивність екосистем.

Контрольні запитання та завдання

1. Визначте переваги методів біоіндикації перед інструментальними методами оцінки стану природного середовища.

2. Сформулювати основні принципи біоіндикації.

3. Специфічна і неспецифічна індикація.

4. Критерії при виборі біоіндикаційних показників.

5. Поняття «біоіндикатор», класифікація біоіндикаторів.

6. Пряма і непряма біоіндикація. Приклади.

7. Що є критерієм оцінки токсичності при проведенні дослід?

8. Які параметри визначають за результатами гострих дослідів?

9. Що є критерієм токсичності при хронічному досліді?

10. Чим відрізняється хронічний дослід від гострого? Види асиметрії в природі.

11. Що являє собою флуктуюча асиметрія?

12. Напрямки використання асиметрії для оцінки якості середовища.

13. Основні положення методики оцінки стабільності розвитку деревних рослин за рівнем асиметрії морфологічних структур.

14. Види лишайників. їхні морфологічні особливості.

15. Переваги лишайників як біоіндикаторів якості атмосферного повітря.

16. Суть методу ліхеноіндикації.

17. Чому дафній використовують для біотестування стічних вод?

18. У чому полягають біологічні особливості життєдіяльності дафній?

19. Шкала оцінки відхилень стану організму від умовної норми за величиною інтегрального показника стабільності розвитку.

20. Яких тварин відносять до мезофауни?

21. Яких тварин відносять до макрофауни?

22. Що розуміється під видовим біорізноманіттям?

23. Як проводиться вибірка безхребетних тварин для оцінки стану ґрунтового покриву за видовим біорізноманіттям?

24. Основні положення методики оцінки стану ґрунтового покриву за видовим біорізноманіттям

Література:

1. Аніскіна-Левчук Р.В. Оцінка стану атмосферного повітря по наявності, густоті та видовому різноманіттю лишайників / Аніскіна-Левчук Р.В. // Матеріали І міжнародної науково-практичної конференції «На шляху до сталого розвитку регіонів», Полтава, 18- 19 листопада 2004 р. - С. 163-166.

2. Біоіндикація. Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт студентами напряму підготовки 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування» / А.І. Горова, А.В. Павличенко, О.О. Борисовська, В.Ю. Ґрунтова, О.В. Деменко; - Д.: Національний гірничий університет, 2014. - 76 с.

3. Биоиндикация загрязнений наземних экосистем / За ред. Р. Шуберт. - M.: Мир, 1988. - 224 с.

4. Гиляров М. С. Зоологический метод диагностики почв / М.С. Гиляров - M.: Наука, 1965 -281 с.

5. Кабиров Р.Р. Использование универсальных критериев при оценке экологического состояния почвенных альгоценозов / Р.Р. Кабиров, Л.А. Гайсина, Л.М. Сафиуллина // Экология. - 2010 а. - № 4. - С. 266 - 270.

6. Карпова Г. Оцінка екологічного стану водойм методами біоіндикації. Перші кроки до

оцінки якості води / Карпова Г, Зуб Л, Мельничук В., Проців Г. — Бережани,2010. — 32 с

7. Луцкан Е.Г. Биоиндикационная оценка состояния окружающей среды города алдана на основе анали за флуктуирующей асимметрии березы плосколистной [Текст] / Е. Г. Луцкан, Е. Г. Шадрина // Международный журнал прикладних и фундаментальних исследований. - 2013. - № 8. - С. 139-141.

8. Мордкович В.Г. Степные катены / В.Г.Мордкович, Н.Г. Шатохина, А.А. Титлянова. Новосибирск: Наука, 1985. - 118 с.

9. Неверова О.А. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды [Текст] / О. А. Неверова // Биосфера. - 2009. - Т. 1, № 1. - С. 82-92.

10. Пляцук Д.Л. Проведення інтегральної експрес- оцінки якості атмосферного повітря в умовах зміни промислової інфраструктури регіону // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2015. -75.- С. 58-63)

И. Таланова В. В., Титов А. Ф., Боева Н. П. Влияние возрастающих концентраций тяжелых металлов на рост проростков ячменя и пшеницы / Таланова В. В., Титов А. Ф., Боева Н. П. // Физиология растений. - 2001. - Т. 48, № 1. - С. 119-123.

12. Титов А.Ф. Тяжелые металлы и растения. / Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. - Петрозаводск, 2014. - 192 с.

13. Чернова H. М. Зоологическая характеристика компостов / Н.М. Чернова. - M.: Наука, 1966.- 148с.

14. Neill S. Nitric oxide, stomatai closure, and abiotic stress / Neill S., Barros R., Bright J., Desikan R. // J. Exp. Bot. 2008. - V. 59. - P. 165-176.

15. Veselov D. Effect of cadmium on ion uptake, transpiration and cytokinin content in wheat seedlings / Veselov D., Kudoyarova G., Symonyan M., Veselov St // Bulg. J. Plant Physiol. 2003. Special issue. - P. 353-359.

16. Моніторинг біорізноманіття. - режим доступу

http√∕manyava.ucoz.ua∕pub !/monitoring Moriznomanittjа_ chastina l/l4-1 -0-444#

Прикладна екологія