Организмы-индикаторы состояния окружающей среды

Для того чтобы адекватно оценить изменения в окружающей среде на основе биоиндикации, необходимо тщательно отбирать виды-индикаторы. Уже неоднократно подчеркивалось, что разные биологические виды могут весьма серьезно отличаться, но характеру реакции на тот или иной вид воздействия. Наиболее ярко это демонстрируется на примере величины летальной дозы (летальной концентрации) различных токсикантов для разных биологических видов. В связи с этим при выборе организмовиндикаторов должен выполняться целый комплекс условий.

Критериями выбора биоиндикаторов являются^[1]: быстрый ответ; надежность (ошибка < 20%); простота; мониторинговые возможности (объект должен постоянно присутствовать в природе).

По характеру реакции на изменяющийся фактор выделяют следующие типы биоиндикаторов:

• • чувствительный — быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы (например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток, которые обнаруживаются практически сразу после начала действия нарушающего фактора);
• • аккумулятивный — накапливает воздействия без проявляющихся нарушений: до определенного момента (предел устойчивости) индикатор не демонстрирует изменения состояния (например, «отсроченная» во времени реакция лесного сообщества на начальных этапах его загрязнения или вытаптывания).

Кроме того, биоиндикаторы делятся по специфичности (избирательная реакция на конкретный фактор либо одинаковая реакция на разнообразные воздействующие факторы) и чувствительности (способность реагировать на воздействия определенной интенсивности).

В качестве тест-организмов используются представители различных систематических групп: одноклеточные зеленые водоросли; простейшие, членистоногие, мхи, высшие растения и др.

Еще одно весьма важное требование к тест-организмам — возможность получения культур из генетически однородных организмов. Это необходимо для того, чтобы возможные отличия между опытом и контролем с большей вероятностью могли быть отнесены на счет нарушающего фактора, а не индивидуальных различий между особями.

Приведем пример использования методов биоиндикации антропогенных изменений ландшафтов. Представленные ниже результаты достаточно четко позволяют выявить особенности влияния техногенных воздействий.

шафтные комплексы^[2].

Пример из практики Фитоиндикация загрязнения ландшафтов М. Г. Опскуновой показано влияние АО «Ссвсроникель» (Мончегорск, Мурманская область), РАО «Норильский никель» (г. Норильск), АО «Карельский окатыш» (г. Костомукша, Карелия), Учалинского ГОКа (г. Учалы, Башкортостан), Башкирского медно-серного комбината (БМСК) (г. Сибай, Башкортостан), нефтегазодобывающего комплекса севера Западной Сибири на ландшафт. Для данных урбогеосистем с многофакторным и поликомпонентным воздействием необходима надежная система индикации антропогенного воздействия. Для этого сформирована система фитоиндикационных признаков для рассматриваемых ландшафтов (рис. 5.1).

Растения обладают относительно высокой чувствительностью к воздействию загрязняющих веществ. На практике при диагностике техногенной трансформации промышленно-территориального комплекса (ПТК) возникает ряд проблем: выбор видов и жизненных форм, разномасштабность их пространственно-временной изменчивости, соответствие каждому уровню организации биосистем своего набора показателей функционального состояния. Набор анализируемых признаков при этом значительно увеличивается, поэтому необходимы новые подходы к оценке экологического состояния ландшафтов, а также разработка новых методов биологической диагностики фоновых и нарушенных ПТК.

Важнейшие этапы проведения биоиндикационных исследований включают:

• • единство методов сбора материала;
• • регламентацию сроков и продолжительности исследований;
• • учет стабилизирующего воздействия фитоценозов на среду обитания;
• • учет зональных, азональных и интразональных факторов дифференциации земной поверхности и биогсохимического круговорота.

Кроме поведения химических элементов в разных географических районах для определения вероятности неблагоприятных последствий при антропогенном воздействии необходимо проанализировать состояние ПТК с различной техногенной нагрузкой. Их можно расположить в ряд с нарастанием техногенного воздействия: ненарушенные (фоновые) Г1ТК —> ненарушенные ПТК в районах геохимических аномалий —> слабонарушенные ПТК под влиянием локальных источников загрязнения —" —> антропогенно нарушенные ПТК в районах техногенных аномалий —> урбогеосистемы. Соотношение зональной, азональной природной и антропогенной составляющих в биогсохимическом круговороте меняется в зависимости от статуса системы.

Исследование индикаторных свойств растительности невозможно без детальной характеристики почвенного покрова. Почва представляет собой компонент ландшафта, который образуется в результате сложного взаимодействия элементов и компонентов ПТК. Поэтому особенности ее морфологического строения и физико-химические свойства позволяют выявить не только выраженность зональных и азональных признаков, но и оценить интенсивность антропогенной нагрузки. Содержание большинства химических элементов в почвах сохраняет тесную связь с почвообразующим материалом, но она не является пропорциональной.

Рис. 5.1. Общая схема фитоиндикационных признаков (Опекунова М. Г., 2013).

• -'si
• -sj

При анализе антропогенных нагрузок на ПТК необходимы оценки как валового содержания металлов, так и их подвижных форм. Валовое количество определяет естественный региональный геохимический фон, на который накладывается антропогенное загрязнение. В зависимости от химической природы растворителей из почвы экстрагируются металлы, находящиеся в разных формах и соединениях.

Весь комплекс методов биоиндикации укладывается в представление об уровнях организации живого вещества: ген — клетка — орган — вид — популяция — сообщество (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Классификация фитоиндикационных признаков (Опекунова М. Г., 2013)

Наглядно разнообразие методов биоиндикации отображается в виде «пирога» биоиндикации. В нем горизонтальные слои образованы индикаторными признаками «фундаментальных» подразделений: генетики, биохимии и др. (рис. 5.2). Вертикальные сегменты сложены таксономическими подразделениями, к числу которых относятся лихенология, бриология и т. д.

Ведущая роль в диагностике техногенной трансформации ландшафтов принадлежит древесным растениям. Это связано с их высокой индикаторной значимостью. Наиболее устойчивы к антропогенному загрязнению лиственные породы, а голосеменные более чувствительны к воздействию поллютантов и повреждаются в первую очередь. В мировой практике используют: граб Carpinus betulus L., ясень Fraxinus excelsior L., дубы Quercus roburL. и Quercus ilex L., клен Acerpseudoplatanus L., вишню Primus serrula L., кипарис Cupressus sempewirens L., тополь черный Populus nigra L., платан Platanus hybrida, манго Mangifera indica, эвкалипты и др. К числу древесных пород, часто применяемых в подобных исследованиях на территории РФ, относятся: сосна обыкновенная Pinus sylvestris, ели Pi се a abies (L.) Karst., Р. obovata Ledeb., березы Betula pendula Roth, В. pubescens Ehrh, липа Tilia cordata L., дуб Quercus robur, тополь Populus balsamifera.

Рис. 5.2. Схема структурных подразделений биоиндикации (Опекунова М. Г., 2013).

Наибольшей индикаторной значимостью в сосновых древостоях обладают: средняя высота деревьев, средний диаметр стволов, радиальный прирост, надземная биомасса среднего дерева, возрастной состав хвои, прирост побегов текущего года, поражение хвои некрозом и хлорозом, степень деградации деревьев и накопление фитотоксикантов. Анализ и учет возобновления, подроста и подлеска важен при оценке давности последнего пожара. Рекомендуется определять сомкнутость древостоя, так как от нее зависит состояние нижних ярусов фитоценоза, а также толщину лесной подстилки, которая указывает на давность последнего нарушения. В целом в диагностике техногенной трансформации ландшафтов наиболее эффективно применение деревьев, мхов и лишайников.

Наиболее информативными видами-индикаторами техногенеза являются: в тундровой зоне Западной Сибири — багульник Ledum decumbens, лишайник Cladonia alpestris; в лесотундре к ним добавляется (регионально) сосна обыкновенная Pinus sylvestris или лиственница Larix sibirica; в тайге — сосна обыкновенная или лиственница (регионально), зеленые мхи Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi, в условиях техногенных аномалий, где отсутствуют зеленые мхи, — брусника Vaccinium vitis-idaea и черника Vaccinium myrtillus; в лесостепных и стенных ПТК Башкирского Зауралья индикаторами служат виды разнотравья, содержание Си, Zn, Pb и Fe в которых при техногенном воздействии в 1,5—2 раза выше регионального фона. В лесостепных ПТК наиболее показательны мордовник Echinops ritro, чабрец Thymus marschallianus, караганник Caragana arhorescens, зопник Phlomis tuberosa и подмаренник Galium verum; в степных ПТК — полынь австрийская Artemisia austtiaca, вероника Veronica incana, чабрец Thymus marschallianus, шалфей Salvia stepposa и подмаренник Galium verum.

При воздействии горнорудной промышленности отмечено увеличение содержания в почвах и растениях тяжелых металлов, соответствующих выбросам предприятий: в тундровых и северо-таежных ПТК в районе комбината «Североникель» — Си, Ni и Со, в северо-таежных ПТК в районе Костомукшского ГОКа — Fc и Мп, в лесостепных и степных ПТК в районе ВМС К и Учалинского ГОКа — Zn, Си, Fc, РЬ и Cd. В пригородах Санкт-Петербурга и городских условиях элементы-индикаторы Pb, Zn, Си, Fe и Cd отражают особенности взаимодействия компонентов в системе «атмосферный воздух — растение».

Среди наиболее показательных морфологических признаков изменения ПТК в ряду нарастания антропогенной нагрузки рассматриваются хлороз, некроз, тератогенез и возраст хвои сосны. Морфологические изменения носят неспецифический характер. Они возникают под влиянием комплекса факторов, обусловленных как естественными (водный и минеральный режимы, орографические условия, освещенность и др.), так и антропогенными (химическое загрязнение, действие кислотных дождей и т. д.) причинами. Выявленные морфологические изменения могут быть использованы для диагностики техногенной трансформации ПТК только в комплексе с другими показателями — химическим составом растений и содержанием поллютантов в компонентах ландшафта. Появление морфологических отклонений, изменение видового состава и структуры растительности служат критерием для диагностики интенсивности техногенной трансформации ПТК.

Эффективность фитоиндикаторов повышается при комплексном изучении ландшафта, выявлении геоиндикаторов техногенеза и сопряженном анализе трансформации всех составляющих ПТК. Особое внимание необходимо уделять системам «почва — растение» и «атмосферный воздух — растение», причем значимость последней увеличивается с ростом техногенеза^[3].

• [1] См.: Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберт. М.: Мир, 1988.
• [2] См.: Опекунова М. Г. Диагностика техногенной трансформации ландшафтов на основебиоиндикации: автореф. дис… д-ра географ, наук. СПб.: СПбГУ, 2013.
• [3] См.: Опекупова М. Г. Указ. соч.