Мониторинг

БИОИНДИКАЦИОННЫЙ

Под мониторингом в самом общем виде подразумевается система повторных наблюдений одного и более элементов природной среды во времени и пространстве с определенными целями в соответствии с разработанной программой.

По мнению Ю.А. Израэля, мониторинг включает в себя следующие основные направления:

1. Наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду.

2. Оценка и наблюдение за состоянием природной среды.

3. Прогноз состояния окружающей природной среды.

В зависимости от уровня интеграции выделяют: ландшафтный, региональный, национальный и глобальный мониторинг, каждый из которых подразделяется на: мониторинг источников; мониторинг факторов — физических, химических, биологических; мониторинг состояния природной среды — атмосферы, гидросферы, литосферы и биоты. Зависимость влияния основных антропогенных факторов на состояние биосферы, здоровье и социум представлена в табл. 14, которая позволяет проследить возможные последствия каждого из группы факторов.

8. Электромагнитными полями.

Следовательно, экологический мониторинг состоит из четырех основных блоков: физико-химических датчиков контроля окружающей среды; системы биотестов, позволяющих давать комплексную оценку состояния биосистем в зависимости от уровня их организации; социально-валиологического блока, характеризующего социальный уровень и заболеваемость населения; информационного — компьютерный сбор данных, классификация, статистическая обработка, моделирование, составление качественных и количественных прогнозов.

Естественно, что предметом нашего анализа является биологический блок, который включает полевые наблюдения, экспериментальные исследования и выделение путей и процессов биологической аккумуляции «трансформации включенных в экосистемный круговорот загрязнителей».

На первом этапе на основании фондового и картографического материала создается карта в масштабе, соответствующем задачам мониторинга. Проводится ландшафтное, геоботаническое и почвенное картирование района с выделением коренных стабильных биоценозов, деградирующих в результате интенсивной антропогенной деятельности, и биоценозов, находящихся на разных стадиях восстановительной сукцессии.

Следующий этап — выделение видов индикаторов, изменение в реакциях которых на поведенческом или аналогичном уровне очевидно и интенсивность которого может быть определена достаточно быстро с помощью экспресс-методов: билатеральная асимметрия, ловчие сети пауков-крестовиков, тератогенез растений, видовое разнообразие птиц, животных и т.д.

В зависимости от результатов предварительных исследований планируется необходимое количество биотестов, позволяющих получить систему динамических показателей, характеризующих состояние основных сред биоценозов: воздушную, наземную, почвенную и водную. Независимо от природы антропогенных факторов биотесты качества окружающей среды должны оценивать устойчивость биоценозов, популяций, видовое разнообразие, интенсивность размножения и динамику ростовых процессов.

Для оценки степени канцерогенности воздействующих факторов можно использовать частоту встречаемости онкологических заболеваний у различных групп животных и в зависимости от особенностей их обитания провести дополнительные исследования.

Рассмотрим последовательность проведения исследований по биомониторингу природной среды. В зависимости от цели мониторинга, типов загрязнения природной среды, финансовых затрат и научного потенциала коллектива определяется размер обследуемой территории. На основании ландшафтных карт и геоботанической информации определяются типы биоценозов. Проводится ранжирование биоценозов по степени их антропогенной нарушенности в рамках концепции регрессионной или восстановительной сукцессии. Выявляются доминантные, эдификаторные и исчезающие виды растений и животных. Определяется необходимый и по возможности достаточный комплекс биотестов, позволяющий оценить состояние атмосферы, гидросферы и литосферы исследуемого района в зависимости от типа антропогенных загрязнений и возможности рекультивационных мероприятий.

Определяются виды — указатели и индикаторы степени антропогенных загрязнений, с последующим определением дозы (зависимой кривой) в экспериментальных условиях. Определяется временная последовательность при использовании биотестов (сутки, месяц, год...). Определяется площадь элементарной анализируемой пространственной ячейки.

Пространственное размещение биотестов с учетом размерности каждого биотеста и площади элементарной пространственной ячейки, с целью компактного заполнения информацией всей последовательности анализируемого пространства. Производится разделение мониторингового района по выбранной системе элементарных пространственных ячеек и заполнение их информацией биотестов. Для токсикантов, способных накапливаться в трофических цепях биоценозов: радионуклиды, тяжелые металлы и т.д., определяются коэффициенты накопления в каждом трофическом уровне в зависимости от типа биоценоза.

Оцениваются коэффициенты миграции токсикантов при биологическом переносе веществ основными группами животных. Определяются коэффициенты битрансформации загрязняющих веществ, обусловливающих повышение их токсичности в результате биохимических реакций при миграции в трофических цепях (ртуть метилртуть).

Осуществляется предварительная обработка получаемых результатов с представлением их в виде безразмерных единиц и экспертной оценкой специалистов: количественной в единой системе баллов, качественной: хорошо, плохо, удовлетворительно. Проводится статистическая обработка пространственно временной структуры данных биотестов с целью текущей оценки ситуации. Разрабатываются различного типа прогностические модели на основании полученной информации с целью вероятностного прогноза последующего развития экологической ситуации.

Экспериментальные исследования: лабораторные и полевые с целью выяснения зависимости доза биологическая реакция для отдельных антропогенных факторов при их комплексном воздействии, характерном для данной местности, например: тяжелые металлы, бифенолы, электромагнитные поля, радиация.

Экспериментальные исследования проводятся дифференцированно для биосистем различного уровня организации: микроорганизмов, растений, беспозвоночных, рыб, амфибий, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих и человека. В качестве объектов исследования используются, как правило, потенциальные виды-индикаторы.

Первый уровень чувствительности биообъектов к влиянию техногенных факторов проводится на рефлекторном или поведенческом уровне.

Среди растений хорошим объектом исследования является, например, мимоза, которая сокращает поверхность листовой пластинки при действии неблагоприятных факторов. Среди беспозвоночных — пауки-кругопряды, дождевые черви, которых можно вместе с почвой помещать между двумя стеклами, где они живут и перемещаются по своим ходам. При добавлении расчетной концентрации загрязняющих почву веществ происходит изменение их двигательной реакции, которую можно наблюдать визуально. Отличным объектом также являются аквариумные и речные рыбы и моллюски. Для млекопитающих разработано достаточно большое количество поведенческих лабораторных методик, позволяющих наблюдать за изменениями в их поведении при воздействии раздражающих факторов.

Вторая, наиболее чувствительная группа тестов — эмбриотропные тесты, с помощью которых возможно оценить степень влияния токсикантов на эмбриональное развитие — самый чувствительный период индивидуального развития организма. Для растений — всхожесть семян, для беспозвоночных — личиночные стадии онтогенеза, для рыб и амфибий — развитие икры, рептилии и птицы — период до выклевывания из яйца, млекопитающие — период беременности. При этом учитывается количество появившихся потомков по отношению к числу зародышей, типы аномалий развития и число особей, доживших до половозрелого возраста, пол, вес и размеры.

В связи с тем, что современные техногенные факторы в последние 40 лет приобрели хронический характер, необходимо проводить специальные исследования по хроническому влиянию загрязнителей в течение 70-80% периода онтогенеза живых организмов. Начиная с рождения, подобные биообъекты должны в экспериментальных условиях и при наличии параллельного контроля подвергаться постоянному хроническому влиянию исследуемого фактора, или совокупности доминирующих загрязнителей до старения, либо до гибели 50% подопытных объектов.

Только при хроническом влиянии факторов возможно получение достаточно полной информации с учетом критических периодов постнатального онтогенеза, в которых устойчивость организма может снижаться в несколько раз. В качестве тест-реакций необходимо использовать основные биохимические и физиологические показатели, видоспецифичные для каждой группы биосистем.

Последующий этап включает в себя изучение отрицательного влияния антропогенных факторов в ряду поколений животных. При хроническом действии факторов скрещиваются потомства в течение 10-20 поколений. Отмечают отход животных в разных возрастных группах, уродства, типы патологий и проводят генетический контроль в соматических и половых клетках животных.

Как показали исследования по влиянию слабых доз радиации, наиболее выраженные отрицательные последствия в популяции лабораторных мышей наблюдались в первом, третьем, седьмом и двенадцатом поколениях животных.

Следует также отметить, что, наряду с лабораторными экспериментальными исследованиями, достаточно часто используются эксперименты в естественных условиях. Индикаторные биообъекты помещают в загрязненные природные условия с известными количественными характеристиками воздействующих факторов и с определенной периодичностью фиксируют необходимый комплекс реакций, который сравнивается с показателями контрольной группы.

После анализа всей совокупности экспериментальных данных и наблюдений в природе выбирается группа биоиндикаторов, которая рекомендуется для использования в системе того или иного типа мониторинга.

Таким образом, научно обоснованный экологический мониторинг позволяет в динамике прослеживать степень антропогенного влияния на природную среду. Динамические ряды наблюдения по опробированной системе биотестов позволяют прогнозировать состояние исследуемых экосистем, разрабатывать оптимальные природоохранные мероприятия и обосновывать необходимые экологические санкции.

В регионах с повышенной вероятностью экологических катастроф природного и антропогенного характера экологический мониторинг окажет неоценимую помощь при прогнозировании стихийных бедствий.

Следовательно, основой комплекса специфических реакций биомониторинга является набор биотестов-индикаторов, проградуированный в экспериментальных условиях к доминирующим антропогенным факторам.

Динамика изменений биотестов-индикаторов позволяет оценивать интенсивность действующих факторов. Развитие неспецифических реакций деградации или восстановительной сукцессии основных типов биоценозов необходимо осуществлять при полевых наблюдениях на биоценотическом и популяционном уровнях.

Оптимальное комплексное использование двух методических приемов позволяет на наш взгляд, создать биомониторинг, дает возможность, прогнозировать развитие экологической ситуации и оценивать степень риска при существующих антропогенных нагрузках на природные экосистемы.

Современный экологический мониторинг должен базироваться на хорошей научно-исследовательской базе комплексного коллектива специалистов биологического института.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всевозрастающая с каждым годом деградация природной среды под влиянием антропогенных загрязнений создает угрозу выживаемости человеческой цивилизации. Современные технические средства контроля состояния природной среды, разработанные, в первую очередь, для оценки степени загрязненности в производственных условиях, оказываются малоэффективными при использовании их в природной среде. Главным условием прогнозирования устойчивости биосистем является познание закономерностей адаптации и эволюции биосистем в зависимости от уровня их организации. Биотестирование — достаточно активно развивающаяся область биологии, возникла в пограничной области как различных биологических специальностей, так и физических, химических, геологических и кибернетических.

Система оптимально подобранных биотестов позволяет получить наиболее адекватную информацию о степени опасности различного типа техногенных загрязнителей.

Живя в эпоху антропогенных экологических кризисов, необходимо понять, что живая природа в течение более 2,5 миллиарда лет существования благополучно справилась с огромным количеством катаклизмов на планете и накопила большое количество информации по выживанию в условиях экологических кризисов. Предложенная в середине XIX века теория катастроф Кювье не получила должного развития, и, по существу, современное биопрогнозирование естественных и антропогенных катастроф находится на самом первоначальном этапе сбора фактического материала и построения вероятностных гипотез. Естественно, что без исследования фундаментальных аспектов возникновения и развития экологических катастроф, моделирования этих процессов и прогностической оценки на глобальном и региональных уровнях современному человечеству предстоит нелегкое существование в XXI веке.

Несмотря на огромное количество рассуждений, посвященных созданию самых различных систем мониторинга, реально существующим остается, по существу, один тип мониторинга — метеорологический. В то же время совершенно очевидно, что основу любого экологического мониторинга должен составлять биомониторинг каждого региона, типа ландшафта и характера производственной деятельности.

Создание постоянных информационных потоков о состоянии природной среды и коррелирующим с ним уровнем заболеваемости и возрастной смертности позволит более рационально использовать выделенные средства и тем самым перейти к устойчивому развитию.

Совершенно очевидно, что создание аналогичных систем требует большого количества финансовых вложений, но, как показывает международный опыт, любая система прогнозирования обходится обществу в десятки раз дешевле, чем последствия непрогнозируемых экологических катастроф.

ЛИТЕРАТУРА

Алимов А.Ф. Разнообразие, сложность, стабильность, выносливость экологических систем. // Общая биология. 1994. Т. 55. № 3. С. 285–302.

Бакулина Н.А., Краева Э.Л. Микробиология. М.: Медицина, 1976. 422 с.

Баскурян А.К., Карташев А.Г. Хроническое действие ПеЭП на систему крови белых мышей и Microfus gregalis // Электронная обработка материалов. 1986. Т.2. № 6. С. 25–27.

Беляков В.Д., Голубев Д.Б., Каминский Г.Д., Тец В.В. Самоорганизация паразитарных систем. Л.: Медицина, 1987. 240 с.

Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. Под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 345 с.

Бондарь Л.М., Частоколенко Л.В. Микроспорогенез как один из возможных биоиндикаторов загрязняющего воздействия автотрассы. // Биол. науки. 1990. Т.3. № 5. С. 79–84.

Бочаров Ю.С. Эволюционная эмбриология позвоночных. М.: МГУ, 1988. 231 с.

Бояркина А.П. и др. Техногенное загрязнение окружающей среды и онкологическая заболеваемость населения г. Томска. II Межрегиональная экологическая конференция “Чтения памяти Ю.А. Львова”. Томск, 1988. С.101–102.

Вирченко А.П., Агапник Т.И. Радионуклиды — органические соединения в почвах зоны Чернобыльской АЭС. // Почвоведение. 1993. Т.3. № 1. С.13 – 18.

Гиляров А.М. Динамика численности пресноводных планктоночных ракообразных. М.: Наука, 1987. 189 с.

Гуреева И.И., Карташев А.Г. Случаи массовых тератологических изменений цветков Cieum Rivale L. и соцветий Jnaila salicina A. Ж. // Экология. 1982. Т.2. № 6. С. 64–66.

Гусев А.Г. Охрана рыбохозяйственных водоемов от загрязнений. М.: Пищевая промышленность, 1975. 368 с.

Дарвин Ч. Путешествие на корабле. М.: Мысль, 1978. 470 с.

Иванова Л.А., Карташев А.Г. Динамика сперматогенеза у белых мышей различных возрастных групп. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1990. Т.36. № 6. С. 63–70.

Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. 560 с.

Иоганзен Б.Г., Лаптев И.П., Львов Ю.А. Экология, биоценология и охрана природы. Томск: Изд-во ТГУ, 1979. 255 с.

Карташев А.Г. Биологический механизм хронического действия переменного электрического поля на развивающийся организм мышей. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1992. Т.38. № 3. С. 81–85.

Карташев А.Г., Мигалкин И.В. Определение интегрирующих факторов постначального развития мышей методом главных компонент. // Физиологический журнал. Наукова думка, 1992. Т.38. № 1. С. 92–95.

Карташев А.Г., Нехорошев О.Г. Биологические основы изучения прогнозирования землетрясений. Сб.: Биологические аспекты прогнозирования землетрясений. М.: 1991. С. 15–18.

Карташев А.Г., Галкин А.Н. Структура ловчих сетей пауков-кругопрядов как метод биоиндикации сейсмической активности. В сб.: Биологические аспекты прогнозирования землетрясений. М.: 1991. С. 15.

Карташев А.Г., Галкин А.Н. Видовая и популяционная информативность показателей ловчих сетей пауков рода Araneus. // Зоологический журн. 1990. Т.69. Вып. 9. С. 148–151.

Китаев С.П. Экологические основы биопродуктивности озер разных природных зон. М.: Наука, 1984. 207 с.

Козлов М.В. Влияние антропогенных факторов на популяции наземных насекомых. В кн.: Итоги науки и техники. М.: 1992. Т. 13. 190 с.

Куллини Дж. Леса и моря. Жизнь и смерть на континентальном шельфе. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 280 с.

Кунин Н.Я., Харбин Е.В. Биологические предвестники землетрясений и целесообразность их изучения при прогнозе землетрясений в СССР. М.: Изд. МССС, 1979. 26 с.

Куранова В.Н. Биоиндикационные показатели амфибий // Экология промышленного города — Томск: Изд-во ТГУ, 1992, С. 48–52.

Лютинецкий И.Б. Предвестники подземных бурь. М.: Просвещение, 1988. 189 с.

Лю Л.Н., Шайхутдинов Е.М. Физико-химические и биокибернетические аспекты онкогенеза. Алма-Ата, 1991. 270 с.

Мариковский П.И. Животные предсказывают землетрясения. Алма-Ата: Наука, 1984. 144 с.

Макрушин А.В. Биологический анализ качества воды. Л., 1974. 60 с.

Методы биологического анализа пресных вод. Л., 1975. 75 с.

Миркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоценологии. М.: Наука, 1983. 132 с.

Никонов А.А., Файдыш У.А. О поведении животных перед землетрясениями. Электромагнитные предвестники землетрясений. М.: Наука, 1982. С. 66–81.

Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979.

Панин Л.Е. Биохимические механизмы стресса. Новосибирск: Наука, 1983. 232 с.

Плитман С.И. Комплексная оценка самоочищающей способности водоемов. // Гигиена и санитария. 1991. Т.1. № 3. С. 15–16.

Плисс Г.Б., Худолей В.В. Онкогенез и канцерогенные факторы у низших позвоночных и беспозвоночных животных. Экологическое прогнозирование. М.: Наука, 1979. С. 167–185.

Попкова Л.А. Структура зоопланктона водоемов семиозерской системы как показатель качества воды. II Межрегиональная конференция. Чтения памяти Ю.А. Львова. Томск, 1998. С. 105–106.

Протасов В.Р. и др. Введение в электроэкологию. М.: Наука, 1982. 335 с.

Реймерс Н.Ф. Экология. Россия молодая, 1994.

Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979. 383 с.

Рэфф К., Кофмен Т. Эмбрионы, гены и эволюция. М.: Мир, 1986. 402 с.

Савилов Е.Д., Колесников С.И., Красовский Г.Н. Инфекция и техногенное загрязнение. Новосибирск: Наука, 1996.

Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М.: Наука, 1980. 250 с.

Северцев А.Н. Морфологические закономерности эволюции. М.: АН СССР, 1939. 610 с.

Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. М.: Медгиз, 1960. 132 с.

Серавин Л.Н. Простейшие... что это такое? Л.: Наука, 1984. 174 с.

Слоним А.Д. Физиология адаптации и поддержание вегетативного гомеостаза. // Физиология человека. 1982. Т. 8. № 3. С. 355–359.

Тимофеев-Ресовский Н.В., Воронцов Н.Н., Яблоков А.В. Краткий очерк теории эволюции. М.: Наука, 1977. 302 с.

Троян П. Экологическая биоклиматология. М.: 1988. 205 с.

Федотов И.С., Тихомиров Ф.А. и др. Труды института прикладной геофизики. М.: 1979. Т. 38. С. 53–67.

Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. М.: Мир, 1997. 231 с.

Физиология адаптационных процессов. Под ред. Газенко О.Г. М.: Наука, 1986. 640 с.

Шубин Н.Г. Приспособление млекопитающих к условиям среды Западной Сибири. Томск: Изд-во ТГУ, 1980. 193 с.

Хахалкин В.В., Урбановский В.Е. Ландшафтная информация и ее учет при оценке экологического ресурса региона. Чтения памяти Ю.А. Львова. Томск, 1988. С. 80–81.

Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 564 с.

Уоддингтон К. Основные биологические концепции. // На пути к биологической биологии. М.: Мир, 1970. С. 11–38.

Юракова Т.В., Львов Ю.А. Радиационное загрязнение вод и организмов реки Томи. // Экология промышленного города. Томск: Изд-во ТГУ, 1992. С. 43–45.

Юракова Т.В. Элементы деградации ихтиофауны как показатель изменения природной среды обитания. Доклады экологической конференции. Томск, 1998.

Яблоков А.В., Остроумов С.А. Уровни охраны живой природы. М.: Наука, 1985. 175 с.

Shen Jing-Hwang. Can animals help to predict earthquakes. Earthqwake Jnborm Bull., 1978. V. 10. № 6.

Stocker Ci. Zm einigen theoretischen und methdischen Aspecten der Bioindication. //Arch. Naturschutz und Land-schafiforsch. 1981. V. 21. № 4. P. 187–209.

Vermeer K., Armstrong F.A. J. Correlation between mercury in wing and breast muscles in ducks // J. Wildl managem. 1972. V. 36. № 10. S. 1270–1272.

Приложение 1

Дата добавления: 2015-03-29