М.В. Горшков
Экологический мониторинг
Учебное пособие. – Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2010. – 313 с.
Курс лекций
Лекция 10. Основы биологического мониторинга
10.1. Биоиндикация
Биоиндикация – метод оценки изменений в среде при
помощи биологических объектов.
Организмы
или сообщества организмов по наличию, состоянию и поведению которых судят об
изменениях в среде, называются биоиндикаторами. С помощью биоиндикаторов
можно обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода
загрязнений, а также проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений.
Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые
могли бы диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах
природных сообществ [33, 44].
В
основе биоиндикации лежит очевидная экологическая экстраполяция – наличие
определённого видового состава свидетельствует об определённых условиях
окружающей среды. Например, установлено, что хвойные породы деревьев, лишайники
чувствительнее прочих видов реагируют на присутствие в воздухе кислых газов, в
первую очередь, сернистого ангидрида. Исследователи предлагают установить
предельно допустимые концентрации для диких видов с тем, чтобы использовать эти
нормативы при оценке ущерба и ограничении воздействия на особо охраняемые
природные объекты. Однако широкое применение чувствительность растений нашла
лишь в биологическом мониторинге; экологическое нормирование состояния
атмосферного воздуха на практике фактически не реализовано. Больших успехов
достигли исследователи биоиндикаторов гидросферы.
Зависимость жизнедеятельности
организмов от концентрации минеральных солей. В естественных водах концентрация минеральных солей различна. В пресной
воде максимальное содержание растворенных веществ равно 0,5 г/л. В морской воде
среднее содержание растворенных солей 35 г/л. В солоноватых водах этот
показатель очень изменчив. Соленость обычно выражается в промиллях (‰) и
является одной из основных характеристик водных масс, распределения морских организмов,
элементов морских течений и т.д. Особую роль она играет в формировании
биологической продуктивности морей и океанов, т.к. многие организмы очень
восприимчивы к незначительным ее изменениям. Многие виды животных являются
целиком морскими (многие виды рыб, беспозвоночных и млекопитающих).
В
солоноватых водах обитают виды, способные переносить повышенную соленость. В
эстуариях, где соленость ниже 3 ‰, морская фауна беднее. В Балтийском море,
соленость которого составляет 4 ‰, встречаются балянусы, кольчецы, а также
коловратки и гидроиды.
Водные
организмы подразделяются на пресноводные и морские по степени солености воды, в
которой они обитают. Сравнительно немногие растения и животные могут
выдерживать большие колебания солености. Такие виды обычно обитают в эстуариях
рек или в соленых маршах и носят названия эвригалинных. К ним относятся многие
обитатели литорали (соленость около 35 ‰), эстуариев рек, солоноватоводных
(5-35 ‰) и ультрасоленых (50-250 ‰), а также проходные рыбы, нерестящиеся в
пресной воде (< 5 ‰). Наиболее удивительный пример –
рачок Artemia salina, способный существовать при солености от 20 до 250 ‰ и
даже переносить полное временное опреснение. Способность существовать в водах с
различной соленостью обеспечивается механизмами осморегуляции, которую поддерживают
относительно постоянные концентрации осмотически активных веществ в жидкостях
внутренней среды.
По
отношению к солености среды животные делятся на стеногалинных и эвригалинных.
Стеногалинные животные – животные, не выдерживающие значительные изменения
солености среды. Это подавляющее число обитателей морских и пресных водоемов.
Эвригалинные животные способны жить при широком диапазоне колебаний солености.
Например, улитка Hydrobia ulvae способна выживать при изменении концентрации NaCl
от 50 до 1600 ммоль/мл. К ним относятся также медуза Aurelia aurita, съедобная
мидия Mutilus edulis, краб Carcinus maenas, аппендикулярия Oikopleura dioica.
Устойчивость
по отношению к изменению солености меняется с температурой. Например, гидроид
Cordylophora caspia лучше переносит низкую соленость при невысокой температуре;
десятиногие раки переходят в малосоленые воды, когда температура становится
слишком высокой. Виды, обитающие в солоноватых водах, отличаются от морских
форм размерами. Так, краб Carcinus maenas в Балтийском море имеет маленькие
размеры, а в эстуариях и лагунах – крупные. То же можно сказать и о съедобной
мидии Mutilus edulis, имеющей в Балтийском море средний размер 4 см, в Белом море – 10-12 см, а в Японском – 14-16 см в соответствии с увеличением солености. Кроме
того, от солености среды зависит и строение эвригалинных видов. Рачок артемия
при солености 122 ‰ имеет размер 10 мм, при 20 ‰ достигает 24-32 мм. Одновременно изменяется форма тела, придатков и окраска.
Влияние рН на выживаемость
организмов-гидробионтов. Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен
веществ у них функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотности-щелочности.
Концентрация водородных ионов в естественных водоёмах во многом зависит от карбонатной
системы, которая является важной для всей гидросферы и описывается сложной
системой равновесий, устанавливающихся при растворении в природных пресных
водах свободного СО2. По этой причине рН пресных природных
вод редко бывает теоретически нейтральной, т.е. равной 7. Чаще всего рН
чистой воды колеблется от 6,9 до 5,6. В природе на воду оказывает действие
многочисленные факторы: температура, давление, содержание в атмосфере
кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород по которым
протекает река или расположено озеро.
Например,
рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны
приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН > 10 вода гибельна для всех рыб. Максимальная
продуктивность вод приходится на рН между 6,5 и 8,5. В табл. 10.1
указаны основные величины рН для пресноводных рыб Европы.
Таблица 10.1
Значения рН для пресноводных рыб Европы [17]
рН
|
Характер воздействия на пресноводных рыб
|
3,0-3,5
|
Гибельно
для рыб; выживают некоторые растения и беспозвоночные
|
3,5-4,0
|
Гибельно
для лососевых рыб; плотва, окунь, щука могут выжить после акклиматизации
|
4,0-4,5
|
Гибельно
для многих рыб, размножается только щука
|
4,5-5,0
|
Опасно
для икры лососевых рыб
|
5,0-9,0
|
Область,
пригодная для жизни
|
9,0-9,5
|
Опасно
для окуня и лососевых рыб в случае длительного воздействия
|
9,5-10,0
|
Вредно
для развития некоторых видов, гибельно для лососевых при большой
продолжительности воздействия
|
10,0-10,5
|
Переносится
плотвой в течение очень короткого времени
|
10,5-11,5
|
Смертельно
для всех рыб
|
Показатель
рН сравнительно легко измерить, поэтому его изучили во многих водных
местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению (от 6,5 до 8,5),
то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и толерантность
сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна.
Изменение рН пропорционально изменению количества СО2, т.е. рН
может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза и
дыхания). В воде с низким рН содержится мало биогенных элементов, в
связи с чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределении
водных организмов.
Растения
растут в воде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7 до 8,8
(Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Развитие
сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень редки
моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукрылых из
рода Chaoborus.
Влияние
количества растворенного кислорода гидробионтов. Демаркационным критерием выживания
аналогично может являться концентрация кислорода. По отношению к кислороду
выделяют аэробные и анаэробные организмы. Аэробными организмами
называются такие организмы, которые способны жить и развиваться только при
наличии в среде свободного кислорода, используемого ими в качестве окислителя.
К аэробным организмам принадлежат все растения, большинство простейших и
многоклеточных животных, почти все грибы, т.е. подавляющее большинство
известных видов живых существ. У животных жизнь в отсутствие кислорода
(анаэробиоз) встречается как вторичное приспособление.
Анаэробные организмы способны жить и развиваться при отсутствии
в среде свободного кислорода. Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 г. бактерии маслянокислого брожения. Распространены они главным образом среди прокариот.
Метаболизм их обусловлен необходимостью использовать иные окислители, чем
кислород. Многие анаэробные организмы, использующие органические вещества (все
эукариоты, получающие энергию в результате гликолиза), осуществляют различные
типы брожения, при которых образуются восстановленные соединения – спирты,
жирные кислоты. Другие анаэробные организмы – денитрифицирующие (часть из них
восстанавливает окисное железо), сульфатвосстанавливающие, метанообразующие
бактерии – используют неорганические окислители: нитрат, соединения серы, СО2. Анаэробные бактерии разделяются на группы маслянокислых и
т.д. в соответствии с основным продуктом обмена. Особую группу анаэробов
составляют фототрофные бактерии.
По отношению к О2 анаэробные
бактерии делятся на облигатных, которые неспособны использовать его в обмене, и
факультативных (например, денитрифицирующие), которые могут переходить от анаэробиоза
к росту в среде с О2.
Степень насыщенности воды кислородом обратно пропорциональна
ее температуре. Концентрация растворенного О2 в поверхностных водах
изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержена значительным сезонным и суточным
колебаниям, которые в основном зависят от соотношения интенсивности процессов
его продуцирования и потребления.
В случае высокой интенсивности фотосинтеза вода может быть
значительно пересыщена О2 (20 мг/л и выше). В водной среде кислород
является ограничивающим фактором. О2 составляет в атмосфере 21% (по
объему) и около 35% от всех газов, растворенных в воде. Растворимость его в
морской воде составляет 80% от растворимости в пресной воде. Распределение кислорода
в водоеме зависит от температуры, перемещения слоев воды, а также от характера
и количества живущих в нем организмов. Выносливость водных животных к низкому
содержанию кислорода у разных видов неодинакова. Среди рыб установлено четыре
группы по их отношению к количеству растворенного кислорода: 1) 7-11 мг/л –
форель, гольян, подкаменщик; 2) 5-7 мг/л – хариус, пескарь, голавль, налим; 3)
4 мг/л – плотва, ерш; 4) 0,5 мг/л – карп, линь.
Некоторые виды организмов приспособились к сезонным ритмам в
потреблении О2, связанными с условиями жизни. Так, у рачка Gammarus
Linnaeus выявили, что интенсивность дыхательных процессов возрастает вместе с
температурой и изменяется в течение года. У животных, живущих в местах, бедных
кислородом (прибрежный ил, донный ил), обнаружены дыхательные пигменты,
служащие резервом кислорода. Эти виды способны выживать, переходя к замедленной
жизни, к анаэробиозу или благодаря тому, что у них имеется d-гемоглобин,
обладающий большим сродством к кислороду (дафнии, олигохеты, полихеты, некоторые
пластинчатожаберные моллюски). Другие водные беспозвоночные поднимаются за
воздухом на поверхность. Это имаго жуков-плавунцов и водолюбов, гладыши,
водяные скорпионы и водяные клопы, прудовики и катушка (брюхоногие моллюски).
Некоторые жуки окружают себя воздушным пузырьком, удерживаемым волоском, а
насекомые могут использовать воздух из воздухоносных пазух водяных растений.
Основная проблема биоиндикации это создание баз данных биоиндикаторов.
Существует Международная
комиссия по биоиндикаторам, специально созданная для координации исследований в
области биологической индикации и мониторинга поллютантов окружающей среды.
|