Вимірювання біологічних параметрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

біоіндикація навколишній живий

Навколишнє середовище постійно забруднюється викидами, які потрапляють у воду, грунт, атмомосферне повітря, організми живих істот.

Найбільше це впливає на життєдіяльність організму рослин, тварин, людини. Знижуються процесі росту та розвитку, за підвищених рівнів забруднення відзначаються пригнічення рослинного покриву, знищення окремих видів рослин, суховерхість хвойних дерев, що нерідко супроводжується деградацією ґрунтового покриву. В організмі тварин накопичуються важкі метали, знижується активність ферментів.

Для з`ясування впливу на процеси життєдіяльності використовуються різноманітні методи дослідження.

Метод дослідження - це спосіб отримання цільової інформації, заснований на якісному або кількісному зв'язку властивостей біосистеми з вимірюваним параметром, який характеризує цю властивість.

Для інтегральної оцінки якості навколишнього середовища використовуються методи біоіндикації та біотестування.

1. Особливості біологічних систем як об`єктів дослідження

1.1 Етапи системного аналізу біологічних систем

Використання поняття «Біологічна система» найзручніше при розгляді найзагальніших підходів дослідження живих організмів. Виділяють три основні етапи системного аналізу:

1) вивчення ступеня організованості біологічного об'єкту, тобто отримання морфологічного опису (структура, елементний склад);

2) вивчення законів його функціонування в умовах реального існування, тобто отримання функціонального і інформаційного описів;

3) вивчення шляху розвитку біологічного об'єкту, тобто отримання| генетико-прогностичного опису [1, с. 4].

Стан біологічної системи описується комплексом медико-біологічних показників, тобто групами фізичних, біохімічних, психологічних параметрів, визначуваних в процесі досліджень.

Метод дослідження - це спосіб отримання цільової інформації, заснований на якісному або кількісному зв'язку властивостей біосистеми з вимірюваним параметром, який характеризує цю властивість. Для реалізації методу дослідження необхідне виконання наступних умов:

1) кількісний або якісний опис зв'язку властивості біосистеми (медико-біологічного показника) з вимірюваним фізичним параметром;

2) алгоритм проведення вимірювання;

3) наявність технічних засобів проведення дослідження;

4) наявність алгоритму і засобів обробки отриманої інформації.

Залежно від конкретного методу дослідження деякі з перерахованих умов можуть займати вагоме значення, а деякі - зовсім бути відсутніми [1, с. 3].

1.2 Особливості живих організмів як об`єктів навколишнього середовища

Живі організми володіють рядом особливостей, що утрудняють отримання вказаних описів. Приведемо найбільш важливі з них:

1. Будь-яка біологічна система незвичайно складна, має багато підсистем з рухливими зв'язками і функціями, які в більшості випадків описані лише якісно.

2. При вивченні біологічної системи доводиться враховувати комплекс чинників, що безперервно змінюється. Це значно погіршує результати досліджень.

3. Стан біологічної системи описується набором фізіологічних процесів з великою кількістю різнорідних медико-біологічних показників, число яких остаточно не встановлено.

4. Отримання багатьох математичних залежностей, характеризучих тимчасово-просторовий стан біосистеми, затруднено через відсутність адекватного математичного апарату.

5. Для біосистем характерна якісна неоднорідність складових підсистем з різними характерними часом протікання і управляючими сигналами (хімічними, фізичними, інформаційними).

6. Велике число параметрів, які визначають стан біосистеми, дає лише імовірнісну оцінку того або іншого стану.

7. Неоднозначність реакції біосистеми на один і той же вплив.

8. Рефлекторний вплив різних патологічних явищ на вищі рівні біосистеми, що приводить до спотворення интерпретації отриманих результатів.

9. Індивідуальний розкид і мінливість медико-біологічних показників.

10. Дослідження біологічних систем доцільне проводити в умовах їх реального існування.

11. Вимірювання параметрів біологічних систем практично неможливе без порушення їх цілісності.

12. Складність вимірювань пов'язана з порівняно малими абсолютними значеннями вимірюваних величин при великих рівнях шумів як із-за роботи інших підсистем (внутрішні шуми), так і внаслідок тих, що наводяться із зовнішнього середовища (зовнішні шуми). Спектри вимірюваних сигналів, що характеризують фізіологічні процеси, лежать в області інфранизьких (починаючи від тисячних доль герц) і звукових частот.

Перераховані вище особливості біологічних систем як об'єктів дослідження можуть бути подолані, якщо в якості методологічної основи досліджень узяти гомеостаз біологічних систем, тобто здатність системи забезпечувати стабільність структури, елементного складу, виконуваних функцій, підтримка характеристичних параметрів в життєво важливих межах поза залежністю від зміни умов зовнішнього середовища. Гомеостаз живих организмів підтримується механізмами саморегуляції.

Таким чином, з позицій системного аналізу живий організм - це сукупність взаємозв'язаних, взаємодіючих, взаємовпливаючих функціональних систем гомеостатичного типу [1, с. 4 - 5].

2. Методи вимірювання біологічних параметрів об`єктів навколишнього середовища

2.1 Характеристика біотестування як метода дослідження

Складовою частиною екологічного моніторингу є моніторинг біологічний, тобто система спостережень, оцінки і прогнозу будь-яких змін в біоті, викликаних антропогенними чинниками. Завдання такого моніторингу - виявлення, ідентифікація і визначення концентрацій забруднюючих речовин в біоті з використанням індикаторних організмів. Хімічні і фізико-хімічні методи аналізу не в змозі охопити все різноманіття забруднюючих речовин, які зазнають в навколишньому середовищі складні трансформації, утворюючи часом токсичніщі сполуки. Кількісний аналіз якої-небудь домішки сам по собі не дає відповіді на питання про її біологічну небезпеку. Тому необхідні методи інтегральної оцінки якості середовища, такі як біотестування і біоіндикація.

Під біотестуванням (англ. bioassay) зазвичай розуміють процедуру встановлення токсичності середовища за допомогою тест-об'єкту, що сигналізує про небезпеку незалежно від того, які речовини і в якому поєднанні викликають зміни життєво важливих функцій у тест-об'єкту. Завдяки простоті, оперативності і доступності біотестування отримало широке визнання у всьому світі і його все частіше використовують разом з методами аналітичної хімії. Існує 2 види біотестування: морфофізіологічний і хемотаксичний. Хемотаксичний метод точніший, так як в ньому використовується спеціальний прилад, а морфофізіологічний дозволяє точніше описати, що відбувається з, тест-об'єктами, наприклад, в забрудненій воді.

У разі використання хемотаксичного методу потрібно виготовити загусник. Для цього можна додати в пробірку полівінілового спирту і залити води до половини, потім гріти на лабораторній плитці 15-30 хвилин, періодично помішуючи. Пізніше потрібно за допомогою спеціальної піпетки додати в кювету (спеціальну пробірку, якраз для таких дослідів) 0,34 мл цього загусника. Потім потрібно додати 1,6 мл середовища Лозіна Лозінського (середовища, ідеального для життя інфузорій, які використовуються як тест-об'єкт) і акуратно перемішати. Після цього слід набрати в піпетку 2 мл води, що перевіряється, і, притуливши шийку піпетки до краю кювети, почати поволі, по краплі напластовувати пробу, інакше вона перемішається з рештою розчину і експеримент не вийде. Якщо все вийшло правильно, то між пробою води і загусником з'явиться межа. Кювету треба привести в перебування спокою на півгодини, після цього поставити в біотестер - прилад, який визначає рівень токсичності води. Він почне видавати числа, які позначають кількість інфузорій, що пропливли через кордон. Потрібно з 5 перших чисел обчислити середнє арифметичне, а потім вирахувати індекс токсичності по формулі;

I - I/ I

де I - показання приладу для контрольної проби, I- середнє арифметичне число. По індексу, що вийшов, можна розрахувати рівень токсичності води:

Індекс Стан води

0,76-1 сильно токсична

0,26-0,75 середньо токсична

0,1-0,25 помірно токсична

0 не токсична

Хемотаксичний метод грунтується на тому, що загусник - середовище для інфузорій терпиме, але далеко не ідеальне і чим більше інфузорій перепливуть із загусника в досліджувану воду і залишаться там, тим вода чистіша.

Таким чином, біотестування - прийом дослідження, в якому про якість середовища, чинники, що діють самостійно або в поєднаннях, судять по виживаємості і поведінці спеціально поміщених в це середовище організмів - тест-об'єктів.

До тест об'єктів пред'являють певні вимоги:

1) можливість чіткої реєстрації ефекту;

2) достатньо висока чутливість;

3) точність, відтворюваність, достовірність отримуваної інформації.

Біотестування можна здійснювати на рівні молекули, клітини, органу (або систем органів), організму, популяції і навіть біоценозу. Але необхідно враховувати, що з підвищенням рівня організації біологічних систем зростає і їх складність, неоднозначність їх взаємозв'язку з чинниками середовища.

Забруднення повітряного басейну і грунтового покриву оцінюють біологічними методами за станом наземної рослинності. При підвищених рівнях забруднення наголошується пригноблення рослинного покриву, зникнення окремих видів і таке інше. Про якість грунту можна також судити по активності і розповсюдженню в ньому грунтових організмів [3, с. 169 - 170].

З метою контролю стану поверхневих природних вод використовують численні методи біотестування: зміну статичного стану п'явки медичної на динамічний; виживання та плодючість дафній магна; біолюмінесценцію окремих видів бактерій тощо.

Живі організми часто є тест-об'єктами під час вивчення дії токсичних речовин (визначення ГДК і летальних доз), фармакологічного ефекту лікарських препаратів тощо. Біологічні методи використовують в аналізі біологічно активних речовин. Зокрема, антибіотики аналізують за їхньою здатністю зупиняти ріст мікроорганізмів; серцеві глікозиди - припиняти роботу ізольованого серця жаби; накопичення фенольних сполук у листках рослин - сигнал про стресову ситуацію.

Активність цих біохімічних каталізаторів залежить від багатьох чинників, оскільки вони мають білкову природу; рН-середовища, наявності окремих катіонів металів, що можуть збільшувати чи зменшувати їхню активність, окисно-відновного потенціалу тощо.

Розроблено електроди, що фіксують зміну активності ферментів за зміною концентрації субстрату чи метаболітів. Зокрема, при інтоксикації коропа виявлено підвищення синтезу кетонових тіл (3-оксибугирату, ацетоацетату, ацетону) з метою адаптивного енергозабезпечення в умовах інтоксикації периферичних тканин, і насамперед мозку. Універсальною реакцією на інтоксикацію є розвиток стрес-катаболічного синдрому, який зумовлює утворення і накопичення в клітинах аміаку (його критичний рівень у мозку риб становить 0,6 мкмоль/г тканини).

Вивчення ферментних реакцій має величезне значення для дослідження функцій і визначення концентрацій мікроелементів та інших біологічно активних сполук, їхня активність може бути тестом під час вивчення забруднення довкілля окремими речовинами, зокрема важкими металами, що діють як ферментні отрути; кислотними оксидами тощо.

Спостереження містять у собі оцінку забруднення за біологічними показниками. Насамперед проводиться оцінка змін рослинного і ґрунтового покривів.

Стан наземної рослинності якісно характеризує забруднення повітряного басейну і ґрунтового покриву в районі розташування промислових підприємств. За підвищених рівнів забруднення відзначаються пригнічення рослинного покриву, знищення окремих видів рослин, суховерхість хвойних дерев, що нерідко супроводжується деградацією ґрунтового покриву.

Оцінка пригнічення рослинності, що виконується на підставі методичних підходів, здійснюється у вигляді карти-схеми району з показом зон різного ступеня пригнічення (ураження) рослинності.

Результати візуальної оцінки ступеня зрушеності ґрунтового покриву, уточнені на підставі досліджень якості грунтів за агрохімічними і біологічними показниками, зокрема ферментативної активності, тобто прискорення хімічних реакцій під дією ферментів (каталізаторів життєдіяльності), активності і поширення ґрунтових організмів, виконаних фахівцем-ґрунтознавцем, а також досліджень фітотоксичності грунтів, позначаються на картах-схемах з виокремленням зон різного ступеня деградації грунтів (сильної, середньої і слабкої).

Далі здійснюється гідробіологічна оцінка забруднення водних об'єктів. Вона має провадитися в межах найважливіших методологічних підходів: біоіндикації і біотестування [4, c. 238 - 240].

2.2 Дослідження біологічних параметрів за допомогою біоіндикації

Основу біологічних та біохімічних методів дослідження становлять реакції рослин, тварин та мікроорганізмів на дію певного чинника. Зміни можуть відбуватися на різному рівні.

Основним завданням біоіндикації є розробка методів і критеріїв, які могли б адекватно відображати рівень антропогенних дій з урахуванням комплексного характеру забруднення і діагностувати ранні порушення в найбільш чутливих компонентах біотичних співтовариств. Очевидно, що складність живої матерії і характеру її взаємодії із зовнішніми чинниками зростає у міру підвищення рівня організації. У цьому процесі біоіндикація на нижчих рівнях організації повинна діалектично включатися в біоіндикацію на вищих рівнях, де вона предстає в новій якості і може служити для пояснення динаміки більш високоорганізованої системи.

Вважається, що використання методу біоіндикації дозволяє вирішувати задачі екологічного моніторингу в тих випадках, коли сукупність чинників антропогенного тиску на біоценози важко або незручно вимірювати безпосередньо. На жаль, сучасна практика біоіндикації носить значною мірою феноменологічний характер, виражений в просторовому викладі помічених дослідником фактів поведінки різних видів організмів в конкретних умовах середовища. Іноді ці описи супроводжуються не завжди обгрунтованими висновками, що носять, як правило, суто оцінний характер (типу «добре / погано», «чисто / брудно» і т.д.), заснованими на чисто візуальних методах порівняння або використанні недостатньо достовірних індексів. Найчастіше такий «прогноз» робиться, коли «громадська» думка по кінцевому результату оцінки якості екосистеми вже наперед відома, наприклад, по прямих або непрямих параметрах середовища. В результаті цього, роль біоіндикації виявляється зведеною до наступної сукупності дій, технологічно співпадаючої з біомоніторингом:

1) виділяється один або декілька досліджуваних чинників середовища (за літературними даними або у зв'язку з наявною програмою моніторингових досліджень);

2) збираються польові і експериментальні дані, що характеризують біотичні процеси в даній екосистемі, причому теоретично ці дані повинні вимірюватися в широкому діапазоні варіювання досліджуваного чинника (наприклад, в умовно-чистих і в умовно-брудних районах);

3) деяким чином робиться висновок про індикаторну значущість якого-небудь виду або групи видів.

Згідно визначенню Н.Ф. Реймерса:

«Біоіндикатор - група особин одного виду або співтовариство, по наявності, стану і поведінці яких судять про зміни в середовищі, зокрема про присутність і концентрацію забруднювачів. Співтовариство індикаторне - співтовариство, за швидкістю розвитку, структурі і благополуччю окремих популяцій мікроорганізмів, грибів, рослин і тварин якого можна судити про загальний стан середовища, включаючи, його природні і штучні зміни».

Безумовно, об'єктивні факти свідчать про існування тісного впливу чинників середовища на біотичні процеси екосистеми (щільність популяцій, динаміку видової структури, поведінкові особливості). Такі чинники середовища, як світло, температура, водний режим, біогенні елементи (макро- і мікроелементи), солоність та інші мають функціональну важливість для організмів на всіх основних етапах життєвого циклу. Проте можна використовувати зворотну закономірність і судити, наприклад, по видовому складу організмів про тип фізичного середовища.

Таким чином, біоіндикація - це оцінка стану довкілля за реакцією живих організмів. Залежно від властивостей використовуваного біоіндикатора розрізняють специфічну і неспецифічну біоіндикацію. Про неспецифічну біоіндикацію йдеться тоді, коли різні антропогенні фактори викликають ті самі антропогенні фактори викликають ті самі відповідні реакції. Якщо зміни, що відбуваються, можна пов`язати тільки з одним фактором, то йдеться про специфічну біоіндикацію.

Як біоіндикатори використовують тварин, рослини, бактерії, віруси.

Біоіндикатори - живі організми, за наявністю, станом і поведінкою яких можна робити висновки про ступінь змін довкілля, у тому числі про наявність забруднюючих речовин. Живі індикатори мають істотні переваги, вони підсумовують усі без винятку біологічно важливі дані про забруднення, вказують швидкість змін, що відбуваються, шляхи і місця накопичень в екосистемах різних токсикантів, дозволяють судити про ступінь шкідливості певних речовин для живої природи й людини. Для біоіндикації використовуються нижчі і вищі рослини, мікроорганізми, різноманітні види тварин (наприклад, гризуни). Особливо чутливими індикаторами забруднення повітря є лишайники і мохи, ураховуючи особливості їхньої біології та фізіології. Так, найменше забруднення повітря діоксидом сірки, яке не впливає на більшість вищих рослин, викликає масову загибель лишайників. Тому в деяких західноєвропейських країнах на околицях великих промислових міст майже повністю зникло багато видів лишайників. У Скандинавських країнах як індикатор забруднення атмосфери важкими металами використовують сфагнові мохи. Встановлено значну здатність у мохів і лишайників до накопичення радіонуклідів, що досягається переважно за рахунок сорбційної поверхні на одиницю маси та їхньої водо утримуючої здатності. У Німечині розроблено методику використання бактерій, що світяться, з метою індикації забруднюючих речовин у промислових стоках.

Антропогенні зміни в атмосфері значно впливають на вищі рослини, часто призводячи до зміни забарвлення листя, некрозу, опадання листя, зміни форму росту і розгалуження (таблиця).

Основні рослини - індикатори забруднення довкілля

Компонента забруднення	Найважливіші деревні породи	Сільськогосподарські і декоративні рослини
Діоксид сірки	Ялина (європейська, сербська), ялиця європейська, сосна звичайна, ясен американський	Пшениця, ячмінь, люцерна, горох, конюшина, бавовник, фіалка
Фтористий водень	Ялина європейська, ялиця європейська, сосна звичайна, горіх волоський	Виноград, абрикос, петрушка, гладіолус, тюльпан, нарцис, рододендрон
Аміак	Граб звичайний, липа серцевидна	Селера, махорка
Хлористий водень	Ялина європейська, ялиця кавказька, вільха клейка, ліщина звичайна	Квасоля звичайна, шпинат, редька, смородина
Озон	Сосна Веймутова	Тютюн, картопля, соя, томати, цитрусові
Важкі метали	Тсуга канадська, в'яз гладкий, глід звичайний	Орхідеї

Так, при забруднені атмосфери діоксином сірки типовими ознаками пошкодження є: у сосни звичайної - побуріння кінчиків голок хвої, у ясена американського - обширне міжжилкове знебарвлення листків.

З декоративних рослин найбільш достовірними індикаторами на фтористий водень є гладіолус, тюльпан, нарцис, конвалія. Хорошими індикаторами на озон слугують найбільш чутливі сорти тютюну, томати, цитрусові. Названі біоіндикатори можна використовувати, контролюючи стан довкілля і проводячи природоохоронні заходи, зокрема в лісовому господарстві, з урахуванням впливу антропогенних забруднень атмосферного повітря.

Одним із перспективних об`єктів біоіндикації є лишайники. Вони поширені по всій земній кулі і можуть слугувати об`єктом моніторингу на всіх рівнях.

Лишайники високочутливі до забруднення середовища існування. На них вибірково діють насамперед речовини, які збільшують кислотність середовища CO, HF, HCl, NO, O). Для лишайників порівняно нешкідливі важкі метали, а також радіоактивні ізотопи.

Для виявлення забруднень повітряного середовища і грунту видом-індикатором може також слугувати сосна. У корі, деревині і хвої можуть накопичуватися забруднювальні речовини, які впливають на ріст і життєдіяльність дерева.

Для визначення забруднення різних водоймищ як рослини-індикатори використовують різні рослини родини ряскових. Ряскові плавають на поверхні води або ледь занурені у воду і мають високу чутливість до забруднення водного середовища. Саме поверхневий шар води є найбільш забрудненим унаслідок викидів промислових і сільськогосподарських підприємств, змивання добрив і отрутохімікатів із полів [4, c. 236 - 238].

Міждународне співтовариство в області біоіндикації антропогенних змін середовища

Зростаюча увага до проблеми охорони природи зумовила необхідність у проведенні взаємоузгоджених заходів щодо проблеми біоиндикції як в рамках національної, так і міжнародної діяльності.

Для вдосконалення захисту навколишнього середовища і розширення біоіндикаційного напряму в моніторингу стану природних об'єктів ще на XXI Спільній асамблеї (Оттава, 1982 р.) була вироблена програма «Біоіндикатори».

Основні принципи програми:

1) стандартизація методів дослідження;

2) вирішення регіональних і національних екологічних проблем;

3) створення сіті підготовки фахівців з біоіндикації;

4) розширення біоіндикаційних досліджень при моніторингу навколишнього середовища.

Біологічні системи, застосування яких можливо для виявлення шкідливих антропогенних речовин, дуже різноманітні. Програма «Біоіндикатори» підрозділяє їх на шість підгруп відповідно до шести біологічних дисциплін:

1. Мікробіологія. Мікроорганізми швидко реагують на забруднення води і грунту. Деякі мікроорганізми особливо чутливі до певних речовин, інші беруть участь в розпаді забруднювачі|. Вказівкою на зміну навколишнього середовища може бути елімінація або збільшення різноманітності видів. Зміни в співтоваристві мікроорганізмів, збіднення видового складу можуть бути викликані присутністю в середовищ| специфічних токсичних агентів.

2. Ботаніка. Для виявлення специфічних забруднень повітряного бассейна і для дослідження його динаміки можливе застосування чутливих видів. До їх числа відносяться нижчі рослини, лишайники, гриби, багато вищих рослин. Відповідний підбір організмів дозволяє виявити як тривалі, так і короткочасні впливи забруднень. Толерантні або індикаторні види використовується для визначення меж розповсюдження конкретних грунтових умов. Вони вказують на рН грунту, його родючість, концентрацію важких металів і можуть бути використовані для картирування грунтів. Індикаційними властивостями володіють також фітоценотичні характеристики рослинних співтовариств в цілому, ступінь зміни яких свідчить про глибину процесів, що протікають в ньому, під впливом забруднення повітря і грунтів.

3. Зоологія. Вивчення окремих видів, з також цілих співтовариств може стати джерелом різноманітних відомостей, що стосуються накопичення хімічних речовин в тілі тварин. Дослідження дають можливість більш ефективного вибору відповідного індикаторного вид|, який може бути використаний для визначення ступеня токсичності речовини в продуктах харчування людей.

4. Клітинна біологія і генетика. Чудовими біоіндикаторами являються клітинні і субклітинні (включаючи, хромосоми) компоненти организму, адаптовані до певних умов природного середовища.

5. Порівняльна фізіологія. Багато тварин, при появі нових агентів а навколишньому середовищу, змінюють свою поведінку. Забрудник, потрапивши на покриви тіла або в органи дихання може бути видалений рефлекторним шляхом. Деякі забрудники гак змінюють поверхню зіткнення, що порушується протікання життєво важливих обмінних процесів. Забруднення в їжі або виводиться травним трактом, або потрапляє в організм через його різні відділи. Такі хімічні речовини проникнувши в організм, можуть впливати на функціонування ендокриної, нервової, м'язової, серцево-судинної систем і органів виділення. Функціональні зміни можуть бути досліджені на морфологічному, біохімічному і фізіологічному рівнях і можуть вказувати на присутність в навколишньому середовищі небезпечних речовин.

6. Гідробіологія. Зони розподілу або спектр видів, чутливих до якості води, відображають стан водного басейну. Необхідно тільки підібрати| відповідний вид-індикатор для конкретних токсикантів-таких, як важкі метали, пестициди або інші синтетичні хімічні речовини, кислоти. Останніми роками у зв'язку зі швидким розвитком атомної енергетики виникла необхідність вибору видів-індикаторів для оцінки теплового забруднення.

Переваги живих індикаторів полягають в тому, що вони:

1) підсумовують всі без виключення біологічно важливі дані про навколишнє середовище і відображають його стан в цілому, бо дія токсичних речовин є поштовхом до різноманітних змін усередині екосистеми, компоненти якої тісно пов`язані між собою;

2) роблять необов'язковим вживання дорогих фізичних і хімічних методів для виміру біологічних параметрів; живі організми постійно присутні в оточуючому людину середовищі і реагують на короткочасні і залпові викиди токсикантів, які може не зареєструвати автоматизована система контролю з періодичним відбором проб на аналізи;

3) відображають швидкість змін, що відбуваються в природному середовищі;

4) вказують шляхи і місця скупчення різного роду забруднень в екологічних системах і можливі шляхи попадання цих агентів в їжу людини;

5) дозволяє судити про ступінь шкідливості тих або інших речовин для живої природи і людини;

6) дають можливість контролювати дію багатьох сполук, що синтезуються людиною;

7) допомагають нормувати допустиме навантаження на екосистеми, що розрізняються по своїй стійкості до антропогенної дії, так як однаковий склад і об'єм забруднення може привести до різних реакцій природних систем в різних географічних зонах [2, с. 5-7].

Комплексна біоіндикація

Вибрані по тих або інших критеріях види-біоіндикатори не зможуть виконувати свої біоіндикаційні функції до тих пір, поки не будуть достовірно вивчені відмінності їх мікроелементного складу, морфологічних або популяційних параметрів від великого числа змінних: статі, віку, сезонного відбору, екотопу і так далі, що ставить перед цим напрямком біоіндикаційних досліджень довготривалі і важковирішувані проблеми. Самі вимоги до видів-біоіндикаторів суперечливі. Так, чутливість і толерантність, мабуть, в принципі несумісні. Саме тому цілком обгрунтована думка, що створити універсальну систему біоіндикаторів навряд чи можливо. Внутрішня суперечність пов'язана також з тим, що в реальних природних умовах ми найчастіше маємо справу не з видом і навіть не з окремою популяцією, а з ценопопуляцією, тобто з часткою популяції в межах біогеоценозу, що вивчається, при дослідженні ж мікроелементного складу - з окремим організмом. [6, с. 59].

Для оцінки стану навколишнього середовища існує метод комплексної біоінцикації. Він полягає в комбінації фіто - та зооіндикаторів на різних системних рівнях.

Перевагою цього методу є можливість оцінити стан екосистеми як результат взаємодії природних елементів екосистем і антропогенної дії, виявити ступінь стійкості і реакцію екосистем на дію людини.

Використання біоіндикаторів, а саме їх фізіологічних індикаційних ознак, дозволяє визначити зміни у екосистемах на дуже ранніх стадіях, коли вони ще не виявляються морфологічними і структурними змінами і їх не можна виявити іншими методами. Це дає можливість передбачати порушення екосистем і вчасно приймати заходи, щоб захистити екосистему від збитку і тим самим не допустити великих народногосподарських втрат.

Крім того, стан біоіндикаторів можна використовувати як додаткову інформацію при оцінці здоров'я населення. Для цього треба використовувати саме фізіологічні індикаційні ознаки, оскільки існує кореляція між фізіологічними реакціями організмів і людини.

Методика має декілька послідовних етапів, на яких використовуються різні методи.

По-перше: виявлення структури території по фізико-географічним і економіко-географічним чинникам, виявлення антропогенного впливу і на основі цього - визначення однорідних географічних одиниць.

По-друге: визначення мережі ключових ділянок і їх характеристик, для різних типів екосистем необхідно мати декілька однотипних ключових ділянок, які відрізняються лише ступенем антропогенного впливу.

По-третє: вибір індикаторів і біоіндикаційні дослідження вибраних індикаторів проводиться протягом трьох років три рази в рік - навесні, влітку і осінню, щоб виявити не лише стан індикаторів, але і динамику змін.

По-четверте: збір додаткової інформації про стан ґрунту, води і господарської діяльності людини.

По-п'яте: оцінка стану навколишнього середовища, який має два етапи:

1) виявлення основних кількісних співвідношень між станом індикаторів і саном екосистем. Побудова оцінних шкал;

2) екстраполяція станів екосистем на крупніші однорідні географічні одиниці. Побудова карти стану навколишнього середовища.

Біоіндикаційні спостереження ведуться на двох системних рівнях - популяції і індивіда. Для кожного рівня розробляються критерії для вибору індикаторів і індикаційних ознак. На рівні популяції видбираються індикатори по наступних критеріям:

1. Популяційні індикаторі повинні зустрічатися на території, що вивчається; бути досить багаточисельними у період всього вегетаційного періоду; екологічно різноманітними або знаходитись на різному рівні харчових ланцюгів; екологічно значимими для території, що вивчається; повинні враховуватися стандартними методами, не мають бути синатропними.

2. На рівні популяції як індикатори можуть використовуватися комахи і визначатися їх наступні індикаційні ознаки: загальна чисельність, кількість видів, біомаса, трофічні групи, екологічні індекси.

На рівні індивіда вибираються індикаційні ознаки по наступних критеріях:

1) тісний зв'язок із значимими для життя реакціями організму;

2) здатність відображати поступові зміни стану організму, причому в ранніх стадіях, поки вони не виявляються в патологічному стані організму;

3) здатність відображати різну силу і якість чинника, збуджуючого зміни, повернутися в первинний стан у зв'язку з адаптацією організму до чинника або із зникненням чинника;

4) стандартний і простий спосіб відбору проб і їх збереження, стандартні і прості методи аналізу.

Останні два критерії особливо важливі при фізіологічних спостереженнях, оскільки більшість з них потребують дотримання точних експеріментальних умов.

Основний критерії, по якому визначається стан фітоіндикатора, рівень фотосинтезу, фотосинтез визначає життєздатність рослин, їх врожайність і добре відображає всі зміни місця існування. Але його рівень дуже важко зміряти безпосередньо, тому використовуються непрямі індикаційні ознаки - суха біомаса, кількість розчинних білків, активність фермента пероксидази. Чим сильніше міняється стан екосистеми в небажаному напрямку, тим менше стає фотосинтез. У зелених наземних частинах рослин зменшується їх суха біомаса, концентрація розчинних біпків і активність фотосинтетичних ферментів.

Індикаційні ознаки зооіндикаторів - маса організму, маса органів (печінки, нирок), вміст важких металів (Cd, Рb, Нg, Zn, Сu) в органах та шерсті, активність ферменту церулопласміна.

Церулопласмін є одним із стресових ферментів. Цей фермент крові, який містить в своїй молекулі іони Сu (він блакитний) і чітко відображає стан організму, підвищуючи свою активність при раку, запаленнях і інших патологічних станах. Він також чітко відображає і дію чинників місця існування, наприклад, при потраплянні в організм важких металів і при іммобілізації тварини. Це підвищення відповідає силі впливу - концентрації металу.

Стан екосистем визначається зіставленням стану індикаторів - відхиленням їх індикаційних ознак від фонового (оптимального) стану. Для побудови оцінних шкал доцільно виражати відхилення не в абсолютних величинах, а у відсотках, де за 100% береться величина фонового стану. При оцінці не можна випускати з уваги, в яку сторону йде відхилення від фону в екологічному і фізіологічному сенсі. У екстремальних випадках спостерігається відхилення і в позитивну сторону. Зрештою виходить набір величин, кількість і величина відхилень яких відображає стан екосистеми. Чим більше відзнака від фону і чим вище відхилення, тим гірше стан екосистем. Залежно від розподілу відхилень по рівнях індикаторів (популяцій і індивідів) можна судити про ступінь і характер змін стану екосистем.

Різке відхилення фізіологічних індикаційних ознак і майже фонове значення екологічних свідчать про ранні стадії порушення екосистеми. На стадії структурного порушення екосистем екологічні і фізіологічні ознаки досягають майже однакових відхилень і вони пропорційні. Про функціональне порушення екосистем свідчить перевищення відхилень екологічних ознак над фізіологічними [5, c. 39 - 43].

Висновки

Живі організми в навколишньому середовищі - дуже складні біологічні об`єкти.

Стан біологічної системи описується комплексом медико-біологічних показників, тобто групами фізичних, біохімічних, психологічних параметрів, визначуваних в процесі досліджень. Цей комплекс чинників безперервно змінюється. Для біосистем також характерна якісна неоднорідність складових підсистем з різними характерними часом протікання і управляючими сигналами (хімічними, фізичними, інформаційними).

Живі організми використовуються для виявлення, ідентифікаціі і визначення концентрацій забруднюючих речовин в біоті як індикаторні організми. Хімічні і фізико-хімічні методи аналізу не в змозі охопити все різноманіття забруднюючих речовин, які зазнають в навколишньому середовищі складні трансформації, утворюючи часом токсичніщі сполуки. Кількісний аналіз якої-небудь домішки сам по собі не дає відповіді на питання про її біологічну небезпеку. Тому необхідні методи інтегральної оцінки якості середовища, такі як біотестування і біоіндикація.

Біотестування - прийом дослідження, в якому про якість середовища, чинники, що діють самостійно або в поєднаннях, судять по виживаємості і поведінці спеціально поміщених в це середовище організмів - тест-об'єктів.

Біотестування можна здійснювати на рівні молекули, клітини, органу (або систем органів), організму, популяції і навіть біоценозу. Але необхідно враховувати, що з підвищенням рівня організації біологічних систем зростає і їх складність, неоднозначність їх взаємозв'язку з чинниками середовища.

Біоіндикація - це оцінка стану довкілля за реакцією живих організмів.

Як біоіндикатори використовують тварин, рослини, бактерії, віруси.

Біоіндикатори - живі організми, за наявністю, станом і поведінкою яких можна робити висновки про ступінь змін довкілля, у тому числі про наявність забруднюючих речовин. Живі індикатори мають істотні переваги, вони підсумовують усі без винятку біологічно важливі дані про забруднення, вказують швидкість змін, що відбуваються, шляхи і місця накопичень в екосистемах різних токсикантів, дозволяють судити про ступінь шкідливості певних речовин для живої природи й людини.

Для оцінки стану навколишнього середовища існує метод комплексної біоінцикації. Він полягає в комбінації фіто - та зооіндикаторів на різних системних рівнях.

Перевагою цього методу є можливість оцінити стан екосистеми як результат взаємодії природних елементів екосистем і антропогенної дії, виявити ступінь стійкості і реакцію екосистем на дію людини.

Використання біоіндикаторів, а саме їх фізіологічних індикаційних ознак, дозволяє визначити зміни у екосистемах на дуже ранніх стадіях, коли вони ще не виявляються морфологічними і структурними змінами і їх не можна виявити іншими методами. Це дає можливість передбачати порушення екосистем і вчасно приймати заходи, щоб захистити екосистему від збитку і тим самим не допустити великих народногосподарських втрат.

Література

1. Аппаратные методы исследования в биологии и медицине / Олейник В.П., Кулиш С.Н. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2004. - 110 с.

2. Биоиндикация и биомониторинг. - М.: Наука, 1991. - 288 с.

3. Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды. - М.: Оникс, 2010. - 336 с.

4. Моніторинг і методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Видавництво Національного авіаційного університету «НАУ - друк», 2009. - 312 с.

5. Оливерсова Л. Оценка состояния окружающей среды методом комплексной биоиндикации / Биоиндикация и биомониторинг. - М.: Наука, 1991. - с. 39 - 45.

6. Степанов А.М. Биоиндикация на уровне экосистем / Биоиндикация и биомониторинг. - М.: Наука, 1991. - с. 59 - 64.

Размещено на Allbest.ru

...