Біоіндикація як метод біомоніторингу довкілля

Сонячна енергія є передумовою для існування усього живого та для протікання життєвих процесів. Вона акумулюється в зелених рослинах у формі органічних сполук. Для створення цих багатих на енергію органічних сполук в наземних екосистемах із ґрунтового розчину вилучаються неорганічні речовини (поживні речовини).

Поживні речовини використовуються знову або в тих самих системах (замкнені системи кругообігу поживних речовин), або в сусідніх системах (відкриті системи з переходом поживних речовин) для створення нових органічних субстанцій. У середині великих екосистем, особливо в тих, що максимально наближені до природних, існує багато менших за розмірами екосистем (субсистем). Своєрідні та специфічні за своєю природою малі системи - це будівельні камені більших екосистем, для правильного функціонування яких вони мають вирішальне значення. Кожна велика екосистема пов’язана безліччю різноманітних зв’язків з іншими екосистемами. У багатьох випадках біотоп і біоценоз можуть бути трансформовані через зміну балансу речовин, тобто за умови, що система отримує додаткові речовини, переважно, поживні. Окремі екосистеми залежні одна від одної, тому порушення в одній системі відбивається на іншій екосистемі.

Людина на шляху свого цивілізованого розвитку залишається залежною від довкілля як від середовища виробництва та проживання, по цій причині збереження свого природного оточення, поряд з етичними, естетичними та науковими аспектами має для людини суттєве значення як необхідна умова її подальшого існування.

На сьогодні все більшої актуальності набуває проблематика якісної експрес-оцінки рівня забруднення компонентів довкілля. Оцінювати якість навколишнього середовища, ступінь її сприятливості для людства необхідно, передусім, з метою: визначення стану природних ресурсів; розробки стратегії раціонального використання регіону; визначення гранично допустимих навантажень для будь-якого регіону; вирішення питання про вплив певного підприємства; оцінки ефективності природоохоронних заходів; створення рекреаційних і заповідних територій.

Біоіндикація - метод оцінки абіотичних і біотичних чинників середовища за допомогою живих організмів (або біологічних систем).

Термін «біоіндикація» частіше використовується в європейській науковій літературі, а в американській його зазвичай заміняють аналогічним за змістом назвою «екотоксикологія».

Часто задають питання: «Чому для оцінки якості середовища доводиться використовувати живі об'єкти, коли це простіше робити фізико-хімічними методами?» На думку Ван Штраалена (1998), існують принаймні три випадки, коли біоіндикація стає незамінною.

1. Фактор не може бути виміряним. Це особливо характерно для спроб реконструкції клімату минулих епох. Так, аналіз пилку рослин в Північній Америці за тривалий період показав зміну теплого вологого клімату сухим прохолодним і далі заміну лісових угрупувань на трав'яні. В іншому випадку залишки діатомових водоростей (співвідношення ацидофільних і базофільних видів) дозволили стверджувати, що в минулому вода в озерах Швеції мала кислу реакцію з цілком природних причин.

2. Фактор важко виміряти. Деякі пестициди так швидко розкладаються, що не дозволяють виявити їх вихідну концентрацію в ґрунті. Наприклад, інсектицид дельтаметрин активний лише кілька годин після його розпилення, в той час як його дію на фауну (жуків і павуків) можна простежується протягом декількох тижнів.

3. Фактор легко виміряти, але важко інтерпретувати. Дані про концентрацію в навколишньому середовищі різних полютантів (якщо їх концентрація не надзвичайно висока) не містять відповіді на питання, наскільки ситуація небезпечна для живої природи. Показники гранично допустимої концентрації (ГДК) різних речовин розроблені лише для людини.

Біоіндикатори - це біологічні об'єкти (від клітин і біологічних макромолекул до екосистем і біосфери), що використовуються для оцінки стану середовища.

Коли хочуть підкреслити те, що біоіндикатори можуть належати до різних рівнів організації живого, вживають термін «біоіндикаторні системи». Переваги біоіндикаторів (табл. 4.1, 4.2) полягає в тому, що вони підсумовують всі біологічно важливі дані про навколишнє середовище і відображають її стан в цілому; усувають важке завдання застосування дорогих методів дослідження; виключають неможливість реєстрування залпових і короткочасних викидів токсикантів; вказують шляхи та місця скупчення в екосистемах різного роду забруднень; дозволяють судити про ступінь шкідливості речовин для живої природи. Для цілей біомоніторингу можуть використовуватися тільки ті види живих організмів, які відповідають вимогам, що застосовуються до біоіндикаторів (Пляцук, 2015):

1) внаслідок ефекту акумуляції дозових навантажень в умовах хронічного впливу несприятливих чинників здатні реагувати на відносно слабкі навантаження;

2) відображають вплив чинників довкілля в цілому, оскільки підсумовують їх;

3) дозволяють визначити швидкість змін, що виникли в навколишньому середовищі, виявити тенденції розвитку цих змін;

4) дають можливість встановити факт проникнення несприятливих для організму речовин з їжею, питною водою та повітрям, що вдихується.

Таблиця 4.1

Деякі біоіндикатори довкілля

Таблиця 4.2

Біоіндикатори чистоти водойм

Біоіндикаторів прийнято описувати за допомогою двох характеристик: специфічність і чутливість.

При низькій специфічності біоіндикатор реагує на різні фактори, при високій - лише на один (див.

Біоіндикація може бути специфічною і неспецифічною. У першому випадку зміни живої системи можна пов'язати лише з одним фактором середовища. Наприклад, висока концентрація в повітрі озону викликає появу на листках тютюну (сорти BEL W3) сріблястих некрозних плям. У другому випадку, різні фактори середовища викликають одну і ту ж реакцію. Наприклад, зниження чисельності ґрунтових безхребетних може відбуватися як через різні види забруднення ґрунту, так й через витоптування, а також у період посухи та з інших причин.

При іншому підході розрізняють пряму і непряму біоіндикацію. Про пряму біоіндикацію говорять, коли фактор середовища діє на біологічний об'єкт безпосередньо, наприклад, в описаному вище випадку сріблясті плями на листі тютюну виникають від прямої дії озону.

При непрямій біоіндикації фактор діє через зміну інших (абіотичних або біотичних) факторів середовища. Наприклад, застосування одного з гербіцидів (2,2 діхлорпропіонової кислоти) на луці призводить до зменшення злаків у рослинному покриві (з 55% до 12%) і, відповідно, збільшення різнотрав'я, що може розглядатися як пряма біоіндикація. Ці зміни рослинного покриву, в свою чергу, спричинюють зменшення чисельності саранових та зростання, відповідно, чисельності попелиць. Зміна в співвідношенні цих двох груп комах - приклад непрямої біоіндикації застосування гербіциду.

Відхилення характеристик біоіндикаторів у порушеному середовищі необхідно порівняти з нормою або «контролем». Залежно від ситуації використовують різні підходи:

1 Порівняння з характеристиками об'єкта поза зоною впливу. Наприклад, щоб виявити зміну рослинних угруповань при промисловому забрудненні, їх порівнюють з фітоценозами, розташованими поза зоною антропогенного впливу.

2 Порівняння з результатами експерименту У лабораторних дослідах частина тест- організмів контактує із забрудненим ґрунтом, водою або повітрям, інша ж частина (це контроль) з явно чистими субстратами.

3 Порівняння з характеристиками об'єктів в минулому до впливу людини (історичні стандарти). Деякі типи екосистем, наприклад, європейські степи, практично втратили свій початковий вигляд. У таких випадках про ступінь їх порушення можна судити за детальними науковими описами, зробленими близько століття тому.

4. Контроль - певний вид функціональної залежності, відхилення від якої розглядається як порушення. Наприклад, в багатовидових непорушених угрупованнях розподіл видів за класами зустрічальності, багатства або домінування відповідає кривій Раун-Кієрі (рис. 4.1). При виявленні порушень середовища досліджуваний розподіл видів порівнюють не з конкретним значенням будь-якого показника, а з серією цих значень, що описуються кривою, форма якої при забрудненні середовища змінюється.

Рис. 4.1. Розподіл видів за класами зустрічальності (крива Раункіера). Види: P - рідкісні, M - нечисленні, C - субдомінанти, Д - домінанти. По осі Y- кількість видів. Звичайна лінія відповідає контрольному, штрихова - порушеному угрупованню

У всіх випадках, коли мова йде про контроль, без якого біоіндикація в принципі неможлива, постає питання, що вважати нормою для того або іншого біоіндикатору? В одних випадках відповідь буде простою. Наприклад, поява на листках рослин некротичних плям будь-якої форми і розміру - завжди є індикатором забруднення середовища, оскільки в нормі їх бути не повинно.

Ситуація ускладнюється, коли нормою є не один конкретний стан біоіндикатору, а цілий набір, діапазон таких станів. До таких біоіндикаторних станів відносяться: чисельність популяцій, різноманітність угруповань, їхній видовий склад і т.д. Ці характеристики змінюються по сезонах і по роках, вони можуть відрізнятися в різних місцях проживання. Отже, щоб встановити норму для таких біоіндикаторів, потрібно мати дані про їхню сезонну і багаторічну динаміку, їхні зміні по місцепроживанню. Так, чисельність дрібних ґрунтових членистоногих колембол на одному і тому ж ділянці непорушеного лісу може змінюватися

Основи біоіндикації протягом року в 10-20 разів, а різноманітність їх зооценозів - у 2-3 рази.

Отже, у даний час стан біоіндикації характеризується такими найважливішими особливостями:

• визнанням важливості використання біоіндикаторів на всіх рівнях організації живого,

• надання переваги інтегрованим показникам стану біологічних систем,

• зростанню кількості таких досліджень через розуміння, що локальна загроза може стати регіональною і біосферною,

• переходу від точки зору, що оптимальним є стан природи до втручання людини, до розпізнавання багатьох «прийнятних» станів під впливом людини,

• розуміння необхідності розпізнавати ранні симптоми порушення, тобто до того часу, коли витрати на відновлення не стали занадто великі.

Щоб розрахувати витрати на проведення біоіндикації, потрібно визначитися з необхідним рівнем передбачуваного дослідження. Так, у випадку можливого забруднення середовища допоможуть наступні запитання:

Рівень 1 - Чи є порушеним середовище?

Рівень 2 - Яка група забруднювачів його викликає?

Рівень 3 - Який конкретно специфічний забруднювач його викликає?

Чим вище рівень, тим більше витрати на проведення дослідження. Вартість досліджень також залежить від двох якостей біоіндикаторів:

• акуратності (близькість оцінок до реальних даних);

• точності (розмах даних)

Можливі такі поєднання цих якостей у біоіндикаторів:

1) неточні і неакуратні (широкий розмах даних, віддалених від реальної оцінки);

2) неточні, але акуратні (широкий розмах даних поблизу від реальної оцінки);

3) точні, але неакуратні (невеликий розмах даних, але вони далекі від реальної оцінки),

4) точні й акуратні (слабкий розмах даних поблизу від реальної оцінки)

Відповідно, застосування точних і акуратних біоіндикаторів вимагає значних витрат для проведення дослідження.

4.2.