БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ СРЕД И ОБЪЕКТОВ В ОРГАНИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ТЕРРИТОРИИ ЗОНЫ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ОБЪЕКТОВ УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ

Ашихмина Т.Я., Домрачева Л.И., Дабах Е.В., Кантор Г.Я.,Огородникова С.Ю., Тимонюк В.М.
(Лаборатория биомониторинга ВятГГУ, г. Киров)


Кондаков И.А
ФУБХ УХО


Важнейшей составной частью экологического мониторинга окружающей природной среды является биомониторинг — система наблюдений, оценки и прогноза различных изменений в биоте, вызванных факторами антропогенного происхождения. Биомониторинг делает возможной прямую оценку качества среды и является одним из уровней последовательного процесса изучения здоровья экосистемы. Основной задачей биологического мониторинга является наблюдение за уровнем загрязнения биоты с целью разработки систем раннего оповещения, диагностики и прогнозирования.


Главными этапами деятельности при разработке систем раннего оповещения являются отбор подходящих природных объектов и создание автоматизированных систем, способных с достаточно большой точностью выявлять «отклик» организма на загрязнение среды, в которой он находится, определение регламента, согласование методик, проектирование и эксплуатация сети мониторинга.


Методами биоиндикации и биотестирования определяется присутствие в окружающей среде того или иного загрязнителя по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, т.е. обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов и их сообществ. Таким образом, применение биологических методов для оценки среды подразумевает выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия. Методом биоиндикации с использованием подходящих индикаторных организмов в определенных условиях может осуществляться качественная и количественная оценка (без определения степени загрязнения) эффекта антропогенного и естественного влияния на окружающую среду.


Биологические методы помогают диагностировать негативные изменения в природной среде при низких концентрациях загрязняющих веществ.


При этом используемые виды биоиндикаторы должны удовлетворять следующим требованиям:


— это должны быть виды характерные для природной зоны, где располагается данный объект;


— организмы-мониторы должны быть распространены на всей изучаемой территории повсеместно;


— они должны иметь четко выраженную количественную и качественную реакцию на отклонение свойств среды обитания от экологической нормы;


— биология данных видов-индикаторов должна быть хорошо изучена.


С помощью биоиндикаторов принципиально возможно:


— обнаруживать места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений;


— проследить скорость происходящих в окружающей среде изменений;


— только по биоиндикаторам можно судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы;


— прогнозировать дальнейшее развитие экосистемы.


По-нашему мнению, преимуществом методов биоиндикации и биотестирования перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов, которые:


— суммируют все без исключения биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом;


— выявляют наличие в окружающей природной среде комплекса загрязнителей;


— в условиях хронической антропогенной нагрузки биоиндикаторы могут реагировать на очень слабые воздействия в силу аккумуляции дозы;


— фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений;


— указывают пути и места скоплений различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих веществ в организм человека;


Особую значимость имеет то обстоятельство, что биоиндикаторы отражают степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для всех живых организмов, в том числе и для человека.


Высокочувствительными к антропогенному загрязнению представителями биоты являются организмы-индикаторы, которые используются для идентификации изменений в окружающей среде, обусловленной действием смеси загрязнителей.


К чувствительным биоиндикаторам относятся лишайники, мхи, почвенные и водные микроорганизмы (водоросли, бактерии, микрогрибы). В роли биоиндикаторов могут быть использованы пыльца растений, хвоя сосны обыкновенной и др. Среди животных также выделяются группы организмов, положительно или отрицательно реагирующие на различные формы антропогенной трансформации среды (ракообразные, хирономиды, моллюски, личинки ручейников, поденок, веснянок и др.).


Присутствие толерантных индикаторных организмов в виде высокой плотности популяций или отсутствие чувствительных популяций может служить показателями загрязнений.


Коллективом лаборатории биомониторинга ВятГГУ более 10 лет отрабатываются методики выявления наиболее информативных биоиндикаторов лесных, луговых и водных экосистем, а также почвенной флоры и фауны с использованием методов бриоиндикации, альгоиндикации, палиноиндикации, лихеноиндикации, биоиндикации по гидробионтам и микробиоте почв. В лабораторных условиях проводится отработка методик биотестирования природных сред и объектов на техногенное загрязнение.


Использование методов альгоиндикации позволило выявить группу водорослей наиболее чувствительных к загрязнению, которые относятся к отделу желтозеленые (Xanthophyta): Pleurochloris magna, P. pyrenoidesa, Botrydiopsis eriensis, Polyedriella helvetice, Ellipsoidion oocystoides, Monodus chodatii.


Проведенный палинологический анализ, основанный на определении процента абортивности пыльцевых зерен, выявляет высокую чувствительность к загрязнению сосны обыкновенной, березы бородавчатой, таволги вязолистной, валерьяны лекарственной.


Нами изучается отклик педобионтов на техногенное загрязнение почв.


В ходе эксперимента установлено, что накопление в почве химических загрязнителей, к примеру мышьяка, вызывает резкие изменения в структуре, видовом составе и количественных характеристиках фототрофных микробных сообществ (ФМС). Одноклеточные зеленые водоросли являются наиболее стабильным компонентом ФМС на всех стадиях сукцессии и при любых концентрациях мышьяка.


Максимальные концентрации поллютанта в почве, являющегося причиной ее фитотоксичности, приводят к формированию специфических фузариозно-нематод-ных комплексов, вызывая угнетение роста и развития культурных растений. В то же время в ходе микробной сукцессии в этих почвах выявлено, что на завершающих стадиях развития ФМС формируется сообщество, где доминирующие позиции занимают безгетероцистные цианобактерии. Мощные наземные разрастания цианобактерий имеют текстуру, напоминающую лишайникоподобную «псевдоткань», в состав которой, помимо цианобактерий, входят зеленые водоросли и плесневые грибы. Древность происхождения цианобактерий, способность выживать в экстремальных условиях и возможность захвата разнообразных экологических ниш в современной биосфере часто приводит к цианобактериальной экспансии там, где нерегулируемое вмешательство человека нарушает нормальное функционирование экосистемы. Известно, что водные цианобактериальные маты образуют сорбционный барьер для тяжелых металлов (Заварзин, 2003). Таким образом, почвенные циано-альгобактери-альные комплексы, которые обнаружены нами в химически загрязненных почвах, можно рассматривать как перспективные объекты при разработке методов биоремедиации почв, загрязненных различнными химическими продуктами.


Кроме того, нами проводятся исследования по изучению состояния почвы по ее цветению. Цветение — это массовое размножение водорослей и цианобактерий на поверхности почвы, формирующих фототрофные микробные сообщества. Плотность клеток при этом явлении может достигать 40 млн. на 1 см2 или свыше 60 млн. клеток в 1 г. цветущей почвы. Цветение почв может развиваться в естественных условиях при достаточном увлажнении почвы или его можно легко инициировать простым увлажнением пробы почвы, помещенной в чашки Петри в лабораторных условиях.


Доказано, что групповой анализ цветения почв адекватно отражает состояние почвы в ее естественном состоянии, а также отражает перегрузку почвы минеральными элементами, нехватку элементов или загрязнение почвы полютантами (рис.1).





Рис. 1. Индикаторная шкала оценки


биологического состояния почвы по ее цветению.


Условные обозначения:


а — одноклеточные зеленые и желтозеленые водоросли,


б — нитчатые зеленые и желтозеленые водоросли, в — диатомеи,


г — безгетероцистные цианобактерии, д — гетероцистные цианобактерии


Естественное состояние почвы (показатель норма) это наличие в ней примерно в равном соотношении 5-ти основных группировок почвенных микрофототрофов: одноклеточные (зеленые, желтозеленые), нитчатые (зеленые, желтозеленые водоросли), диатомовые водоросли, а также безгетероцистные (не азотфиксирующие) и гетероцистные (азотфиксирующие) цианобактерии. Отсутствие одной из 5-ти группировок является сигналом о неблагополучном состоянии почвы, а если двух трех это уже кризис. При полном неблагополучии почвы в ней резко снижается видовое разнообразие, остается лишь одна группировка водорослей (чаще всего одноклеточные зеленые, например, хлорелла) с малой численностью клеток. Такая биодеградация почв происходит в случаях длительного постоянного поступления токсиканта в почву. Методика оригинальна, разработана автором данной работы Домрачевой Л.И. (ВГСХА, г. Киров). Данная методика, основанная на групповом анализе фототрофных микроорганизмов, получила высокую оценку в мировой научной печати и может быть предложена к гостированию индикации состояния почвы.


В последние годы широкую популярность приобретает метод анализа флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков различных растительных и животных организмов как интегрального показателя экологического благополучия биоценоза. Метод рекомендуется Центром экологической политики России (Захаров В.М).


В наших работах в качестве объектов-индикаторов использованы листья двух растений: береза повислая (Betula pendula) и рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia). Проведен морфометрический анализ материала, собранного на участках биомониторинга в центральной зоне Кировской области. Для обработки данных разработана специальная компьютерная программа, которая позволит упорядочить участки мониторинга по величине выборочной дисперсии и с учетом достоверности различий сгруппировать их в кластеры, отличающиеся друг от друга на заданном уровне значимости. Исходными материалами для нее являются выборки коэффициента асимметрии.


Проведенные нами экспериментальные обследования позволяют высказать предположение о том, что листья рябины могут быть индикаторами общего благополучия среды обитания и по-нашему мнению могут рассматриваться как информативные биоиндикаторы загрязнения.


Для оценки состояния атмосферного воздуха многие годы нами используется биоиндикатор сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Общеизвестно, что она является видом, реагирующим на загрязнение среды обитания продуктами техногенеза. Этот фитоиндикатор широко распространен на всей территории области, произрастает как на сухих песках, так и в условиях избыточной влажности. В связи с этим сосна обыкновенная представляет собой удобный объект для биоиндикации уровня загрязнения в любом районе Кировской области.


Реакции Pinus sylvestris L. на наличие загрязняющих веществ в воздухе и почве неспецифичны и отражают общий уровень загрязнения среды химическими веществами различной природы. Для оценки химической нагрузки на фитоиндикатор используют разные его признаки (характеристики). Самым распространенным и наиболее простым в исполнении является морфологический подход [1]. В различных литературных источниках в качестве индикационных признаков рекомендуется использовать величину годового прироста основного побега, длину листовой пластинки, размеры генеративных органов [2, 3].


Информативным признаком определенного уровня загрязнения атмосферы является состояние хвои: изменение окраски (хлороз, пожелтение), преждевременное увядание хвои и дефолиация, время жизни, наличие некротических пятен [2 4]. При этом форма и цвет некротического пятна является специфической реакцией на определенный вид загрязнения, а доля пораженной поверхности хвоинки может быть использована для количественной оценки реакции фитоиндикатора. Для индикационных целей могут быть использованы также морфологические и анатомические характеристики хвои сосны.


По данным авторов [2,3,5,6] хвоя сосны может быть использована и как биоаккумулятор аэрогенных загрязнений. Это связано с тем, что хвоя сосны обладает способностью эффективно поглощать загрязняющие вещества, в частности, соединения металлов, в виде аэрозолей за счет диффузионного осаждения последних в полостях и воздушных каналах листовой пластинки [7]. Сосна обладает также биоаккумулирующей способностью для ряда металлов, соединения которых поглощаются корневой системой из почвы. Поглощение может быть как метаболическим, так и пассивным [8]. Ввиду малой поверхности листа, утолщенной кожицы и малого количества устьиц вынос поглощенных микроэлементов с поверхности листовой пластинки сосны при испарении влаги и газообмене с атмосферой очень мал. За время жизни хвои (4-6 лет в зависимости от условий произрастания дерева) в ее массе накапливаются характерные для данной местности микроэлементы в количествах, достаточных для аналитического определения.


Проведенные в 1997-2004 гг. на территории Кировской области полевые экспедиционные работы дали материал для оценки возможности использования некоторых характеристик Pinus sylvestris L. (прирост центрального побега, размеры генеративных органов) для индикации уровня химического загрязнения территории.


Гидробионты как индикаторы условий обитания представляют интерес для установления состояния водных экосистем и их изменений при антропогенном воздействии. На территории ЗЗМ ОУХО «Марадыковский» проводилось изучение состояния поверхностных водоемов по составу зообентоса. Для оценки качества воды использовался классический биоиндикационный метод Вудивисса (Woodiwiss, 1964, 1980), основанный на анализе индикаторных таксонов макрозообентоса. В перспективе планируется отработка других биоиндикационных методик, в том числе оценки состояния водоемов по единой шкале сапробности.


Применяемый в почвенной микробиологии метод стеклообрастания, который использовался первоначально для определения качественного и количественного состава микробиоты, мы предлагаем использовать для биотестирования структурных изменений микробоценозов при химическом загрязнении почвы. Он прост, экспрессен, не требует химических реактивов, а лишь нуждается в простом увлажнении почвы. В этих условиях на покровных стеклах в чашках Петри развиваются микробоценозы, которые являются полными аналогами микробоценозов нативной (природной) почвы. Развитие сообществ начинается на 3 сутки после смачивания почвы. Это метод позволил обнаружить в почве с максимальной концентрацией мышьяка группировку состоящую из нематод и грибов рода Фузариум, которые являются одними из самых опасных грибов вызывающих болезни растений. Почва, содержащая одновременно в большом количестве нематоды и фузарии заведомо обладает фитотоксичными свойствами. Таким образом, не проводя химических анализов можно на качественном уровне судить о том, что почва обладает фитотоксичными свойствами и требует необходимых меропрятий по ее оздоровлению.


Для оценки состояния почв и снеговой воды нами апробированы тест-объекты злаки. Считается, что подавление роста и развития растений на 30 и более % свидетельствует о фитотоксичности объекта. Испытано 3 злака: рожь, ячмень, пшеница. Из них наиболее перспективными тест-организмами следует считать ячмень и пшеницу. Несложность, быстрота, компактность проведенного метода позволяет рассматривать данные культуры как перспективные организмы для разработки гостированных методик для биотестирования применительно к определенному сезону года. Еще более прост и доступен в исполнении метод биотестов с использованием злаков при анализе воды, где можно применять рулонный метод. Отзывчивость такой культуры как пшеница подтверждена в опытах с тестированием снеговой воды.


Нами проводилось изучение влияния низких концентраций метилфосфоновой кислоты (МФК как имитатора продуктов уничтожения ФОВ) на морфофизиологические характеристики растений ячменя.


Определение лабораторной всхожести семян ячменя показало, что МФК в диапазоне концентраций от 5·10-5 до 0,01 моль/л не оказывала влияния на их прорастание. Количество проросших семян на третьи сутки составило 71–75%. При увеличении содержания МФК до 0,1 моль/л прорастание семян полностью ингибировалось. Наибольшее влияние на рост и развитие побегов оказывала МФК концентрации (0,01 моль/л). Высокие концентрации кислоты влияли и на рост корней. Корневая система ячменя, выращенного на растворах МФК с концентрациями 5·10-5 и 5·10-4 моль/л, была хорошо развита и не отличалась от контрольных растений. Угнетение роста корней вызывала МФК в концентрациях 5·10-3 и 0,01 моль/л. Длина корней опытных растений была на 30–70% меньше, чем в контроле.


Метилфосфоновая кислота приводила к снижению накопления биомассы растений..


В присутствии метилфосфоновой кислоты изменяется активность дыхания растений. Однако, следует отметить, что установленное влияние МФК на вышеуказанные показатели происходит при относительно высокой ее концентрации.


В течение ряда лет нами проводится мониторинг атмосферного воздуха по косвенному показателю изучению состава снегового покрова. Данные экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха по снеговому покрову позволят выявлять, с учетом направления ветра, зоны максимального распространения загрязняющих веществ в районе при деятельности объекта уничтожения химического оружия. Построение моделей рассеивания загрязняющих веществ в снеговом покрове по комплексу показателей даст возможность прогнозировать возможные зоны загрязнения при штатной работе объекта, позволит сделать оценку вероятного влияния объекта на окружающую природную среду и здоровье населения, проживающего в зонах защитных мероприятий. Снеговой покров является накопителем большинства загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух. В связи с этим снег в экологическом мониторинге может быть использован своеобразным индикатором чистоты атмосферного воздуха.


Важнейшей задачей экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, с использованием снега как индикатора, является отработка методов определения в пробах снега (в органической части сухого остатка талой воды) специфических загрязняющих веществ (фосфор-, сера-, хлор-, мышьяк-, фторорганических соединений), которые могут содержаться в выбросах в процессе деятельности объекта уничтожения химического оружия.


Оценку степени загрязнения атмосферного воздуха можно определять с помощью микроскопических водорослей. Проба воздуха отбирается путем пропускания через специальные поглотители с дистиллированной водой. Тест-объект Chlorella vulqaris Berjer, Synechocystis aquatilis sauv. Тест функция — изменение оптической плотности суспензии в опыте и контроле. Учет результатов можно проводить по шкале токсичности [7].


В программу экологического контроля и мониторинга объекта хранения и уничтожения ХО по-нашему мнению целесообразно включить проведение экотоксикологического анализа природных и сточных вод, водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов с использованием методов биоиндикации и биотестирвания:


— по изменению уровня флуоресценции хлорофила и численности клеток зеленых водорослей Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb.;


— по изменению оптической плотности зеленых водорослей Chlorella vulgaris Beijer;


— по снижению прироста количества простейших Tetrahymena pyriformis (Ehrenberg) Schewiakoff,


— по хемотаксической реакции простейших Paramecium caudatum;


— по смертности и изменению плодовитости ракообразных Daphnia magna Straus;


— по гибели рыб Poecillia reticulata Peters.


Данные методики биотестирования имеют ГОСТ, однако унифицированных методик, используемых в практике экологического контроля, пока крайне мало, требуется их разработка и утверждение. Кроме того, необходима подготовка специалистов, владеющих данными методами, создание специализированных лабораторий биоиндикации и биотестирования. Такие лаборатории создаются сейчас во всех регионах, где планируется уничтожение ХО, требуется их оборудование, лицензирование и сертификация.


Литература





1. Захаров В.М. и др. Здоровье среды: методика оценки (Оценка состояния природных популяций по стабильности развития: методическое руководство для заповедников). — М.: 2000.


2. Селянкина К.П., Шкарлет О.Д., Мамаев С.А. О репродуктивной функции основных лесообразующих пород Урала в условиях воздействия промышленных выбросов, содержащих агрессивные соединения // Загрязнение атмосферного воздуха предприятиями черной и цветной металлургии и меры по его защите. — Челябинск, 1972.


3. Поповичев Б.Г. Влияние газов, выбрасываемых промышленными предприятиями, на показатели качества семян сосны обыкновенной и березы пушистой // Лесоводство, лесн. культуры и почвоведение. 1980. №9. С. 59—62.


4. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение /Под ред.. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990. 200 с.


5. Шуберт Р. Возможности применения растительных индикаторов в биолого-технической системе контроля окружающей природной среды // Сб. Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. — Л.: ГМИ, 1982. Вып. 1. С. 104—111.


6. Черненькова Т.В. Методика комплексной оценки состояния лесных биогеоценозов в зоне влияния промышленных предприятий // Пограничные проблемы экологии. Сб. Научн. трудов. — Свердловск: УНЦ АНССР. 1986. С. 116—127.


7. Фомин Б.И. и др. Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. — СПб. 1992. Т. 14. С. 103.


8. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. — М.: Мир. 1989. 439 с.


9. Брукс Р.Р. Биологические методы поиска полезных ископаемых. — М.: Недра. 1986. 310 с.


10. Кабиров Р.Р., Суханова Н.В., Хайбуллина Л.С. Экология. 2000. №3. С. 231—232).


Источник: Информационно-аналитический сборник» Федеральные и региональные проблеммы уничтожения химического оружия», Выпуск 6.


Статьи и материалы Сборника включают данные 2004г.