🗊Презентация Биологическая индикация. Экологические основы биоиндикации

Экология. Прикладная экология Специальность «Медицинская экология»

Биологическая индикация. Биологическая индикация. Экологические основы биоиндикации.

Биоиндикация Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Биоиндикация Биоиндикацию следует понимать как метод экологических исследований, позволяющий с помощью биологических систем с определенной точностью устанавливать основные качественные и количественные характеристики среды обитания.

Биоиндикация Основная задача биоиндикации – разработка методов и критериев, которые могли бы * адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения; * диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.

Область применения биоиндикации в реальной экологической ситуации изолированного действия стрессора не существует – есть лишь совместное действие комплекса факторов по результатам токсикологических лабораторных тестов на живых организмах установлены ПДК для более чем 1000 химических соединений. число веществ-загрязнителей, способных влиять на экологическое состояние биоты самостоятельно, или комбинируясь, превышает миллион наименований.

Область применения биоиндикации Биоиндикация не дает ответа на вопрос о характере загрязняющего вещества или их смеси. обычно методы биоиндикации используют до химического анализа, что позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие» точки, указывающие на наиболее загрязненные участки территории. На участках, где методами биоиндикации выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления.

Уровни биоиндикации внутриклеточные реакции (биохимические, физиологические); реакции организма (анатомические, морфологические, биоритмические, этологические); популяционно-динамические изменения (колебания структуры, численности, плотности популяции); изменения в природных сообществах (состояние продуцентов, консументов, редуцентов); биогеоценотический уровень (стрессовое влияние на биогеоценозы); изменения ландшафтов.

Биоиндикация на клеточном и субклеточном уровнях Биоиндикация на этих уровнях основана на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций. Ее достоинства заключаются в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро. Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды. Этот уровень биоиндикации - наиболее сложный, требующий специального оборудования

Изменения на клеточном уровне: изменения биомембран (особенно их проницаемости); изменение концентрации и активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ); аккумуляция вредных веществ в клетке; нарушение физиологических процессов в клетке; изменение размеров клеток.

Биоиндикация на организменном уровне Изменение окраски (неспецифическая реакция на различные стрессоры): хлороз, некроз листьев

Биоиндикация на организменном уровне Макроскопические изменения растений Преждевременное увядание; Дефолиация (влияние SO2, хлоридов); Изменение размеров органов (удлинение хвои под действием нитратов); Изменение формы, количества и положения органов (при действии радиоактивного облучения); Изменение направления формы роста и ветвления (изменение направления роста корней одуванчика при изменении уровня грунтовых вод, изреживание кроны при газодымовом загрязнении); Изменения прироста (изменения радиального прироста древесных стволов, прироста в длину побегов и листьев).

Популяционно-динамические изменения у растений 1. Плотность популяции – количество особей вида на единицу площади или объема Площадь покрытия лишайников хорошо коррелирует с концентрацией сернистого газа в воздухе. Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов.

Популяционно-динамические изменения у растений 2. Возрастная структура популяций -соотношение между молодыми, размножающимися и старыми особями: популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии развития укорачиваются (отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов); популяция стареет, если нарушается возобновление.

Популяционно-динамические изменения у растений 3. Экологическая структура популяций Природные популяции обычно состоят из нескольких экотипов – групп особей, приспособленных к разным условиям среды. Экотипы способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания. В условиях негативных воздействий происходит распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов

Популяционно-динамические изменения у животных 1. Плотность популяций Для биоиндикации важен выход этого показателя за пределы нормы: а) сокращение популяций: сокращение плотности популяций зерноядных птиц в результате массового отравления ртутьсодержащими соединениями, в Швеции в начале 50-х годов ХХ в.; хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц; б) рост популяций: озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов; сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины – уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов).

Популяционно-динамические изменения у животных 2. Динамика численности популяций Обычно возрастает амплитуда колебаний плотности популяций: навозные и компостные виды коллембол в городе: сезонные пики численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).

Популяционно-динамические изменения у животных 3. Пространственная структура Распределение особей в пространстве обычно становится более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках. Нарушается размещение особей, свойственное природным популяциям.

Биоиндикация на биоценотическом уровне Сообщества (или биоценозы) - совокупность видов растений, животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания. Для описания сообществ используют: общая численность, видовое богатство и разнообразие, видовая структура, экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп), изменение показателей во времени.

1. Общая численность Обычно падает, а если повышается, то за счет численности очень немногих устойчивых к нарушениям видов. Например, в городе численность птиц поддерживают стаи голубей, воробьев, ворон. На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.

2. Видовой состав и разнообразие сообществ При слабом нарушении среды количество видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов. Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.

3. Видовая структура Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы: а) многочисленные – доминанты, б) менее многочисленные – субдоминанты, в) малочисленные г) редкие виды. Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе различается При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» – группы малочисленных и редких видов. Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но общая закономерность сохраняется.

4. Спектр жизненных форм При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими. При рекреационной нагрузке в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.

 Биоиндикация на экосистемном уровне Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и потоков энергии. Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенных элементов, организмов-продуцентов, организмов-консументов и организмов-редуцентов. Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.

Трофическая структура Трофическая структура Нарушение соотношения между блоками продуцентов, консументов, редуцентов. Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3–4 раза. Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.

2. Сукцессии – естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых. 2. Сукцессии – естественные смены сообществ от простых и неустойчивых до сложных и устойчивых. Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий. Страдают, прежде всего, заключительные стадии – зрелые климаксные сообщества не формируются. Например, при лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов.

В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят: В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном уровнях приводят: к упрощению структуры сообществ и экосистем; нарушению внутренних связей (между видами, экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.

Биоиндикаторы Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния среды. Биоиндикаторы – организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки.

Биоиндикаторы Критерии выбора биоиндикатора: быстрый ответ; надежность (ошибка <20%); простота; мониторинговые возможности (постоянно присутствующий в природе объект).

Типы биоиндикаторов: Чувствительный - быстро реагирует на незначительные отклонения показателей от нормы. Аккумулятивный - накапливает воздействия определенное время без проявляющихся нарушений.

Биоиндикаторы Характеристики биоиндикаторов: Специфичность: при низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой – только на один Чувствительность: при низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.

Требования к биоиндикаторам накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели организмов; численность организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния на их воспроизводство; в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны многолетние виды; биотесты должны быть генетически однородны; должна быть обеспечена легкость отбора проб;

Требования к биоиндикаторам должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования; биотесты должны обеспечивать получение достаточно точных и воспроизводимых результатов; биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами; диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20-30%;

Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени

Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени II. Биоиндикатор в течение длительного времени линейно реагирует на воздействие возрастающей концентрации загрязнителя.

III. Биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающегося воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени. III. Биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающегося воздействия с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени.

IV. После немедленной, сильной реакции у биоиндикатора наблюдается ее затухание, сначала резкое, затем постепенное. IV. После немедленной, сильной реакции у биоиндикатора наблюдается ее затухание, сначала резкое, затем постепенное.

V. Под влиянием загрязнителя реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, однако, достигнув максимума, постепенно затухает. V. Под влиянием загрязнителя реакция биоиндикатора постепенно становится все более интенсивной, однако, достигнув максимума, постепенно затухает.

VI. Реакции и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров. VI. Реакции и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикаторных параметров.

Формы биоиндикации В зависимости от реакции, проявляемой системой на действие того или иного фактора, различают 2 вида биоиндикации: регистрирующая: позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции биоиндикация по аккумуляции: использует свойство живых организмов накапливать те или иные химические вещества.

Формы биоиндикации Специфическая: изменения живой системы можно связать с конкретным фактором среды (высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен. Неспецифическая: различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию (снижение численности почвенных беспозвоночных при различных видах загрязнения почвы, при вытаптывании, в период засухи и по другим причинам).

Формы биоиндикации

Формы биоиндикации Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то речь идет о прямой биоиндикации (серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона). Если биоиндикация становится возможной только после изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов, говорят о косвенной биоиндикации (действие гербицида изменение растительного покрова падение численности саранчовых и рост численности тлей).

ПРЯМАЯ БИОИНДИКАЦИЯ КОСВЕННАЯ БИОИНДИКАЦИЯ ПРЯМАЯ БИОИНДИКАЦИЯ КОСВЕННАЯ БИОИНДИКАЦИЯ Факторы Реакция Факторы Реакция среды живой системы среды живой системы А α А Б α

Биоиндикация состояния водных экосистем Олигохетный индекс (ОИ) впервые был предложен Гуднайтом и Уотлеем в 1961 г. массовое развитие олигохет – индикатор спуска бытовых отходов. отношение количества малощетинковых червей к общему количеству зообентоса в водоеме

Классификация таксонов крупных организмов по отношению к чистоте воде (трёхуровневая оценка степени загрязнения)

Группа 1. Эти организмы погибают в грязной воде. Преобладание их – признак очень чистой воды. Группа 1. Эти организмы погибают в грязной воде. Преобладание их – признак очень чистой воды. Группа 2. Эти организмы могут существовать в воде различной степени загрязненности. Группа 3. Эти организмы выживают даже в очень грязной воде.

Оценка качества воды проводится следующим образом Загрязненная вода – 90% организмов и более относятся к 3-й группе индикаторов. Малозагрязненная вода (удовлетворительного качества) – от 11 до 30% организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й и 2-й групп. Чистая вода – 30% и более организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й группы.

Индекс Майера использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности

Представители организмов-индикаторов каждой из групп 1-ая гр.: личинки ручейников

Индекс Вудивисса учитывает сразу Индекс Вудивисса учитывает сразу два параметра бентосного сообщества: общее разнообразие беспозвоночных наличие в водоеме организмов, принадлежащих к "индикаторным" группам. При повышении степени загрязненности водоема представители этих групп исчезают из него примерно в том порядке, в каком они приведены в таблице.

Таблица. Представители видов-индикаторов

Оценка состояния атмосферного воздуха Виды повреждения и усыхания хвои а) хвоя без пятен (КП1), нет сухих участков (КУ1); б) хвоя с небольшим числом мелких пятен (КП2), нет сухих участков (КУ1); в) хвоя с большим числом желтых и черных пятен (КП3), кончик усох на 2-5 мм (КУ2); г) усохла треть хвоинки (КУ3); д) усохло более половины длины хвоинки (КУ4); е) вся хвоя желтая и сухая (КУ4). КП – класс повреждения (некрозы), КУ – класс усыхания хвои.

Лихеноиндикация

Спасибо за внимание! Спасибо за внимание!