Что такое биоиндикация в биологии: определение и примеры
Биоиндикация и ее виды
Растения
1. Мониторинг озона по табаку BEL W3. Этот сорт табака специально выведен для биоиндикации. Уже при слабом воздействии озона через несколько дней на всей листовой пластинке образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают устойчивый к озону сорт Bel B.
2. Мониторинг загрязнения почвы и воздуха с помощью крессалата.
Семена проращивают в чашке Петри на фильтрах или исследуемой почве. Наблюдение длится 10 дней. При наличии вредных веществ снижается процент всхожести семян и уменьшается скорость роста зародышевых корешков.
У растений, высаженных в открытом грунте в городских центрах с интенсивным движением транспорта, под влиянием газовых выбросов отчетливо снижается длина проростков.
3. Индикация соли (применяемой для таяния льда) по листве липы. Сначала возникают ярко-желтые неравномерно расположенные краевые зоны, затем край листа отмирает, а желтая зона передвигается к середине и основанию листа. Разработана бонитировачная шкала, позволяющая по степени нарушения листовых пластинок оценить уровень засоления почвы.
Метод ограничен во времени второй половиной лета.
4. Индикация общего газодымового загрязнения по продолжительности жизни хвои. Для определения у 25 взрослых деревьев ели из средней кроны вырезают по 1 ветви. Определяют среднее кол-во хвоинок на побегах разного возраста. Поскольку хвоинки живут в норме 4 года, то четырехлетние побеги должны быть покрыты хвоинками. При загрязнении продолжительность жизни хвоинок сокращается вплоть до одного года.
Соответственно большая часть ветвей оголена, а хвоинки остаются лишь на концах ветвей. Бонитировачная шкала некрозов и продолжительность жизни хвои позволяет количественно оценить степень загрязнения среды.
Животные
Наблюдать за изменениями животных в нарушенной среде значительно сложнее, чем за неподвижными растениями. Более доступны насекомые и моллюски. Эти группы чаще других используют в целях биоиндикации.
Морфологические изменения (размеров, пропорций, покровов, окраски, уродства):
а) размеры и пропорции тела на загрязненных участках достоверно отличаются:
- У ряда тлей (ширина головы, длина бедра и голени, усиков, хвостика и сифона);
- Некоторых брюхоногих моллюсков в почве (размеры раковинок);
- На загрязненном корме размеры личинок насекомых обычно уменьшаются;
У тли (Aphis fabae) после добавления к пище сульфит-ионов существенно изменялись полигоны и зернистость кутикулы у потомком;
в) окраска. Явление промышленного меланизма (более темной окраски) в загрязненных районах отмечено у:
- Бабочки пяденицы березовой;
- Двухточечной божьей коровки (доля черных форм обычно 2–3%, а в загрязненных районах много выше);
- Коллемболы (Orchelesella villosa);
Под действием ксенобитотиков (дизельного топлива, ДДТ и др.) возникают нарушения формообразующих процессов в онтогенезе насекомых. В опытах доля аномальных бабочек огневки выросла от 5 до 35% при добавлении в пищу PbO.
Исследования рыб (плотва, лещ, карась и др.) в р. Москве в пределах города выявило следующие уродства: нарушение формы тела, искривление позвоночника, нарушение пигментации, «оплавление» лучей спинного плавника, редукцию плавников, «мопсовидность» головы, слепоту, редукцию зрачка, бельмо на глазу, выпуклость глаз, ожирение, длиннохвостость и пр.
У плотвы доля особей с уродствами (иногда несколькими сразу) колебалась от 10 до 70%.
д) изменение толщины скорлупы яиц у птиц. Индекс Ратклиффа отражает зависимость толщины скорлупы яиц от концентрации ДДТ.
2. Физиологические изменения. Следующие изменения покажут принцип использования физиологических показателей в целях биоиндикации:
а) у личинок водных насекомых имеются хлоридные клетки, способные активно поглощать анионы, особенно хлорид-ионы, обеспечивая постоянство их концентрации в гемолимфе.
Эти клетки обычно расположены на жабрах (личинки поденок) или на брюшке (личинки ручейников). Число этих клеток обратно пропорционально уровню солености, при каждой линьке их число приводится в соответствие с соленостью среды. От линьки к линьке можно определить тенденции в изменении солености водоема;
б) общее физиологическое состояние организма насекомого может быть охарактеризовано общим количеством гемоцитов (клеток гемолимфы) в единице объема и соотношением их основным типов.
Например, в зоне загрязнения сернистым газом количество гемоцитов у гусениц сосновой пяденицы падает вдвое, при этом возрастает количество фагоцитов с 5 по 32%.
в) неспецифическая биоиндикация индустриальных загрязнений возможна по содержанию гемоглобина в крови обыкновенной полевки;
г) в тканях моллюсков при загрязнении водоемов возрастает удельное содержание каратиноидов.
3. Размножение. Плодовитость обычно падает, например:
- У тлей и непарного шелкопряда при окуривании их сернистым газом;
- У птиц при действии тяжелых металлов и ДДТ уменьшается кладка;
Иногда плодовитость повышается, например:
- У коллембол (Onychiurus armatus, Orrchesella cincta) на участках, загрязненных тяжелыми металлами.
В лабораторных условиях в качестве тест-организмов могут быть использованы саранчовые (Acrotylus patruelis, Aiolopus thalassinus).
При действии хлорида ртути у этих видов возрастает число яиц в кладке, при действии мочевины (>0,055 г./кг почвы) уменьшается число яиц в кладке и количество кладок.
4. Онтогенез и продолжительность жизни:
а) нарушение течения линек у насекомых:
- При загрязнении у бабочек снижается доля окукливающихся гусениц и процент вылета имаго;
- Удлинение личиночной стадии у совки (Scotia segetum) при интоксикации медью и у непарного шелкопряда при фумигации фтористым водородом (HF) и метилмеркаптаном;
б) сокращение сроков развития:
- У совки (Scotia segetum) на 4–7 дней при добавлении хлорида кадмия (CdCI2);
- У коллембол (Isotoma notabilis, Onychiurus armatus) при загрязнении тяжелыми металлами;
в) изменение срока жизни.
Обычно он сокращается, например:
- У кобылки (Acrotylus patruelis) при увеличении концентрации HgCI2;
- У гусениц (особенно младших возрастов) непарного, тутового и соснового шелкопрядов, сосновой пяденицы и многих других при питании загрязненным кормом и фумигации промышленными выбросами;
- У личинок мухи (Calliphora vicina) пропорционально концентрации сернистого газа.
Реже наблюдают удлинение срока жизни, например, у дрозофилы при добавлении в пищу 0,3% антиоксиданта пропилгаллата срок жизни возрастает на треть.
Поведение – это чувствительный индикатор нарушений в среде:
а) изменение циркадного (суточного) ритма рыб в рыборазводных прудах – пример неспецифической биоиндикации. Двигательная активность рыб отражает условия содержания, реагируя на обеспеченность кислородом и органическое загрязнение;
б) у крабов (Pachygrapsus) после воздействия масляного экстракта (результат утечки горючего) нарушается половое поведение: самцы не реагируют на самок.
Биоиндикация это
Биоиндикация — обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания.
Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений.
В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.
Изменения растительности под действием различных факторов внешней среды влияют на состояние биогеоценоза в целом и, вследствие этого, могут использоваться в качестве диагностических признаков.
Сведения о структурно-функциональных нарушениях, характере поступления, превращении и аккумуляции токсикантов в органах растений в техногенной среде можно получить с использованием различных методов (анатомических, физиологических, биохимических и т.д.).
Существует две формы биоиндикации: когда одинаковые реакции организма могут быть вызваны различными факторами среды (в том числе и антропогенного происхождения) — тогда речь идёт о неспецифической биоиндикации; когда изменения реакции чётко связаны с изменением конкретного фактора — специфическая биоиндикация.
Биоиндикация может быть специфической и неспецифической.
В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды. Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Веl WЗ) серебристых некрозных пятен.
Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.
При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию.
О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно. В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.
При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды.
Например, применение одного из гербицидов (2,2-дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация.
Существуют различные виды биоиндикации.
Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания.
Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.
Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции.
Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК).
В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.
Регистрирующие биоиндикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности, фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками.
В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов можно назвать лишайники, хвою деревьев (хлороз, некроз) и их суховершинность. Однако с помощью регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определившие численность, распространение, конечный облик или форму биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может порождаться разными причинами или их комплексом.
Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа.
Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором».
Правда, у живых приборов есть серьезный недостаток — они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.
Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям.
Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школьном экомониторинге.
Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объектов загрязнения.
Что такое биоиндикация
БИОИНДИКАЦИЯ (от био… и лат indiсо — указывать, определять), прикладное направление экологии, связанное с поиском и использованием биоиндикаторов — организмов, наличие, численность и особенности развития которых служат показателями естественно протекающих процессов или изменений среды обитания под влиянием антропогенных воздействий.
Отдельные виды организмов весьма чувствительны и избирательны по отношению к различным факторам среды обитания, характеризующим их экологическую нишу, к концентрации пищевых ресурсов, к химическому и механическому составу почвы, вод, атмосферы, к климатическим и погодным условиям и так далее; они могут существовать только в определённых, часто узких границах изменения этих факторов.
Различают пассивную и активную биоиндикацию.
Пассивная биоиндикация связана с оценкой состояния среды обитания, исходя из присутствия в ней тех или иных видов или групп организмов. Ряд растений являются, например, показателями плодородия земель. Это нашло отражение в так называемых экологических шкалах, разделяющих растения на влаго- и светолюбивые, по их отношению к засолённости и органическому веществу почвы, содержанию в ней азота и др.
Специфические организмы планктона указывают на происхождение водных масс и течений, характеризуют определённые параметры среды обитания (в том числе солёность, температуру). О подходе косяков рыбы свидетельствуют скопления морских рыбоядных птиц.
Лишайники и некоторые хвойные растения служат биоиндикаторами чистоты воздуха. Почвенные микроорганизмы и индикаторные растения могут служить биоиндикаторами при поиске полезных ископаемых.
По комплексам почвенных животных судят о типах почв. Важный аспект применения биоиндикаторов — оценка с их помощью степени загрязнения окружающей природной среды, постоянный контроль (мониторинг) её качества и изменений.
Состав флоры и фауны, численность и биомасса организмов свидетельствуют о чистоте вод и их пригодности для пищевых или иных целей, о состоянии и эффективности работы очистных сооружений, об изменениях, происходящих в почвах в результате загрязнения или при восстановлении почвенного покрова.
При активной биоиндикации в среду обитания вносят тест-объекты — организмы, чувствительные к тому или иному виду загрязнения. С их помощью определяют степень влияния различных химических (pH, содержание солей, пестицидов и других веществ) и физических (например, радиоактивность) факторов среды.
Так, очень часто в качестве тест-объектов загрязнения водоёмов выступают бактерии Photobacterium phosphoreum (так называемый Microtox-тест), дафнии, гуппи. Тест-объектами загрязнения почв служат дождевые черви, энхитреиды, панцирные клещи, коллемболы, некоторые виды растений.
Тест-объекты применяются также для оценки токсичности, мутагенности, канцерогенности химических веществ, используемых человеком, и их потенциальной опасности для самых разных компонентов окружающей среды.
Источник