Мониторинг биологических переменных
Для биоиндикации могут использоваться показатели биосистем всех рангов. Обычно, чем ниже ранг биосистемы, используемой в качестве биоиндикатора, тем более частными могут быть выводы о воздействиях факторов среды и наоборот. Организмы и суборганизменные структуры. K биосистемам суборганизменных рангов относятся молекулы и молекулярные комплексы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), клеточные органоиды, клетки, ткани, органы и системы органов. Для биоиндикации наиболее показательны следующие характеристики
• химический состав клеток;
• состав, структура и степень функциональной активности феноменов;
• структурно-функциональные характеристики клеточных органоидов;
• размеры клеток, их морфологические характеристики, уровень активности;
• гистологические показатели;
• концентрации поллютантов в тканях и органах;
• частота и характер мутаций, канцерогенеза, уродств.
Тератогенный эффект факторов среды - способность вызывать y тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия тератогенных воздействий различны: в одних случаях тератогенез может проявляться только на уровне клеточных органоидов, отдельных клеток; в других затрагивает ткани, органы и весь организм. Большое значение для биоиндикации состояния окружающей среды и её антропогенных изменений имеют многочисленные структурные (анатомические) и функциональные (физиологические) характеристики организма. Использование некоторых структурных и функциональных характеристик сообществ (особенно фито-, зоо- и бактериопланктона и бентоса) для оценки качества водной среды (наряду с абиотическими показателями) является обязательным (ГОСТ 17. 1. 3 . 07-82; ГОСТ 17. 1. 2. 04-77;Рд 52. 24. 565-%о; Рд 52. 24. 564-96; Рд 52. 24. 420-95 и др.).
Наиболее широко применяется оценка скорости аэробной деструкции органических веществ - биохимическое (или биологическое) потребление кислорода (БПК) планктоном. ВПК легко определяется экспериментально, оно выражается обычно в миллиграммах кислорода, расходуемого при деструкции в единице объёма воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5 суток). Соответствующая величина БПК обозначается БПК5. БПК5 является одним их шести обязательных показателей при расчете индекса загрязненности воды.
Первичная продуктивность водных экосистем и их способность к самоочищению обычно оценивается по величине первичной продукции планктона и по соотношению скоростей образования валовой первичной продукции и деструкции (Р/R). Принятая классификация качества воды водоемов и водотоков по биотическим показателям (ГОСТ 17. 1. 3. 07-82) учитывает следующие характеристики:
• отношение общей плотности олитхег к общей плотности сообщества зообентоса (класс Oligochaeta - малощетинковые черви; многие их виды характеризуются повышенной устойчивостью к загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсолютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязнённых водоёмом);
• концентрацию в воде всех бактерий и отдельных сапрофитных, т. е., активно разлагающих органических веществ;
• индекс сапробности (и модификации Сладечека) по фитопланктону, зоопланктону, перефитону;биотический индекс Вудивисса.
Шкала и индексы сапробности.
Сапробностыо называется степень загрязненности водоёма органическими веществами, доступными редуцентам. B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов-индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненности органическими веществами следующим образом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82):
• ксеносапробная зона (I класс чистоты) - вода “очень чистая”;
• олигосапробная зона (II класс чистоты) - вода “чистая”; • бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) - вода “слабо
(умеренно) загрязнённая”;
• альфа-мезасапробная зона (IV класс чистоты) - вода “загрязнённая”;
• полисапробная зона (V класс чистоты) - вода “грязная”;
• гиперсапробная зона (VI класс чистоты) - вода “очень грязная”.
Биологических переменных, характеризующих состояние отдельных особей, группы организмов, целых попуцляий и экосистем, теоретически может быть бесконечное число. Но среди них имеется относительно немного параметров, тесно связанных с важнейшими показателями состояния группы организмов или отдельных особей. K важнейшим показателям относятся прежде всего, признаки предетального состояния организма или группы организмов, нарушение репродуктивных способностей, жизненного цикла и некоторые другие. Наиболeе пoлнo вопросы мониторинга биологических переменных были обсуждены весной 1979 г. нa семинаре в США. На семинаре было выделено семь секций: биохимия, физиология, паталогия, поведение, генетика, экология и биотестирование. B опубликованных тpудаx семинара приводятся списки биологических параметром, рекомендуемых для включения в программы биологического мониторинга, и методы их определения. Эти методы в сочетании с классическими позволяют наиболее полно описать состояние наблюдаемых экосистем, если известны критерии оценки полезности биологических переменных для мониторинга загрязнения, и определен диапазон изменений биологических переменных.
Прицнипы отбора биологических переменных.
Возникновение потребности в разработке конкретных программ биологического мониторинга привело к необходимости составления приоритетных списков структурных и функциональных переменных по уровням организации. На пути преодоления этих трудностей за основу было взято несколько существующих в литературе схем уровней организации живого B соответствии со схемой Ю. Одума (1975),спектр уровней организации изображается в виде горизонтального ряда. По мнению Одума, все уровни в равной степени заслуживают внимания исследователей. Двигаясь слева направо, от генетических сисистем до экосистем, одни переменные становятся более важными и изменчивыми, в то время как важность других становится пренебрежительно малой, a их изменчивость едва заметной. Если в основу наложить схему уровней организации, предложенную H. П. Наумовым (1972), то картина будет иная (табл. 1).
Иерархия структуры органического мира. (табл. 1)
| Уровни | Ступени | ||
| Молекулярно-клеточная | Организменная | Надорганизменная | |
| Низший | Молекулы однго класса | Ткани | Популяции |
| Средний | Органоиды, клетки | Органы, их системы | Биоценотические комплексы |
| Высший | Клетки | Организмы | Биоценозы |
При таком подходе H. П. Наумову удалось выделить характерный уровень иерархии структуры органического мира, на котором живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению. Обычно неизвестен характер связи между показателями низшего и среднего уровней и основным показателем, которым обладает только высший уровень -воспроизводство. Поэтому в токсикологических опытах предпочтение отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, a не среднего и низшего уровней. Набор биологических откликов для низшего и среднего уровней молекулярно-клеточной и организменной ступеней зависит главным образом от степени развития методических приемов, которые приходят из физики, химии, кибернетики и других наук. Широкий арсенал методических приемов позволяет получать разнообразную информацию как о структуре жизненно важных макромолекул, биомембран и органоидов клетки, так и о кинетике внутриклеточных процессов.
Для практических нужд в первую очередь используются простые методы, с помощью которых можно измерять физиолого-биохимические показатели, имеющее высокую корреляцию с такими важными переметными, как смертность, рождаемость, продолжительность жизни и др.
Механизмы, лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций или сообществ при воздействии одного и того же повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней структуры живого описывается определенным набором переменных, принадлежащих только данной ступени. Включению биологических переменных в программы биологического мониторинга предшествует отбор переменных, исходя из определенных критериев. B первую группу были включены критерии, отражающие фундаментальность биологического воздействия, во вторую - оценивающую эффективность биологических измерений и в третью - практическую ценность переменных, предлагаемых для включения в программы мониторинга.
Первая группа охватывает следующие критерии:
1. существование связи между выбранной переменной и такими показателями, как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества и экосистемы;
2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на низших и высших уровнях организации;
3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему;
4. возможность возврата переменной к своему первоначальному значению после прекращения действия возмущающего фактора;
5. специфичность действия фактора для определения группы организмов.
Вторую группу составляют следующие критерии:
1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением;
2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый отклик переменной;
3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие наблюдаемый эффект;
4. величина отрезка времени, в течение которого формируется отклик (часы, дни, годы);
5. легкость обнаружения превышения “сигнала” отклика над природным фоном (шумом”);
6. точность измерения наблюдаемого отклика переменной.
B третью группу критериев входят:
Оценка стоимости измерения отклика переменной, которая включает стоимость капитального оборудования, обучения персонала и штатов, a также оценка диапазона использования отклика переменной в программах биологического мониторинга. Обычно программы биологического мониторинга строятся таким образом, чтобы он включали намерение как неспецифических, так и специфических биологических откликов. Так как отклики на высших уровнях организации (популяции и сообщества) более важны с экологической точки зрения, по практически не несут информации об изменениях на низших уровнях организации - клеточном и молекулярном. B то же время последние являются более чувствительными и специфичными показателями. В этом случае выбранная биологическая переменная будет либо общим (неспецифическим) показателем изменений окружающей среды, так как загрязнение обычно представляет собой комбинацию разнообразных веществ и переменных окружающей среды, либо специфическим откликом на известный класс веществ, выбранный для определения связи “причина-эффект”. Если программой биологического мониторинга предусмотрена оценка состояния окружающей среды с учетом общих и специфических показателей, то в программу надо включать биологические переменные, отвечающие разным уровням биологической организации.