Слайд 1Экология. Прикладная экология
Факультет заочного обучения
Специальность «Медицинская экология»
Слайд 2 Биологическая индикация.
Экологические основы биоиндикации.
Слайд 3Наиболее простой пример экстремальной реакции живого на сильное воздействие вредных
факторов - массовая гибель организмов (массовая гибель рыб при загрязнении
водоема).
Другой вид реакции живых организмов на менее сильное воздействие вредных факторов - угнетенное состояние, замедление роста, аномалии развития (изменение окраски листьев растений при попадании в почву определенных соединений)
Слайд 4О возможности использования живых организмов в качестве показателей определенных природных
условий писали еще ученые Древнего Рима и Греции.
В трудах
М.В. Ломоносова и А.Н. Радищева есть упоминания о растениях-указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.
Слайд 5Биоиндикация
Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью
живых объектов.
Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы,
популяции, сообщества.
С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).
Слайд 6Биоиндикация
Биоиндикацию следует понимать как метод экологических исследований, позволяющий с помощью
биологических систем с определенной точностью устанавливать основные качественные и количественные
характеристики среды обитания.
Слайд 7Биоиндикация
Основная задача биоиндикации – разработка методов и критериев, которые могли
бы
* адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного
характера загрязнения;
* диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ.
Слайд 8Биотестирование
Биотестирование (bioassay) - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов,
сигнализирующих нарушением жизненно важных функций об изменениях в среде.
Преимущества: простота,
оперативность, доступность
Слайд 9Биотестирование как метод оценки токсичности среды используется:
при проведении токсикологической оценки
сточных и загрязненных природных вод с целью выявления потенциальных источников
загрязнения;
в контроле аварийных сбросов высокотоксичных веществ;
при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и т.п.
Слайд 10Область применения биоиндикации
в реальной экологической ситуации изолированного действия стрессора не
существует – есть лишь совместное действие комплекса факторов
по результатам токсикологических
лабораторных тестов на живых организмах установлены ПДК для более чем 1000 химических соединений.
число веществ-загрязнителей, способных влиять на экологическое состояние биоты самостоятельно, или комбинируясь, превышает миллион наименований.
Слайд 11Область применения биоиндикации
Биоиндикация не дает ответа на вопрос о характере
загрязняющего вещества или их смеси.
обычно методы биоиндикации используют до
химического анализа, что позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие» точки, указывающие на наиболее загрязненные участки территории.
На участках, где методами биоиндикации выявлены какие-либо отклонения, и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления.
Слайд 12Уровни биоиндикации
внутриклеточные реакции (биохимические, физиологические);
реакции организма (анатомические, морфологические, биоритмические, этологические);
популяционно-динамические
изменения (колебания структуры, численности, плотности популяции);
изменения в природных сообществах
(состояние продуцентов, консументов, редуцентов);
биогеоценотический уровень (стрессовое влияние на биогеоценозы);
изменения ландшафтов.
Слайд 13Биоиндикация на клеточном и субклеточном уровнях
Биоиндикация на этих уровнях основана
на узких пределах протекания биотических и физиологических реакций.
Ее достоинства заключаются
в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющим выявить даже незначительные концентрации поллютантов, и выявить их быстро.
Именно на этих уровнях возможно наиболее раннее выявление нарушений среды.
Этот уровень биоиндикации - наиболее сложный, требующий специального оборудования
Слайд 14Изменения на клеточном уровне:
нарушение биомембран (особенно их проницаемости);
изменение концентрации и
активности макромолекул (ферменты, белки, аминокислоты, жиры, углеводы, АТФ);
аккумуляция вредных веществ
в клетке;
нарушение физиологических процессов в клетке;
изменение размеров клеток.
Слайд 15Биоиндикация на организменном уровне
Изменение окраски (неспецифическая реакция на различные стрессоры):
хлороз, некроз листьев
Макроскопические изменения растений
Слайд 16Биоиндикация на организменном уровне
Макроскопические изменения растений
Преждевременное увядание;
Дефолиация (влияние SO2, хлоридов);
Изменение
размеров органов (удлинение хвои под действием нитратов);
Изменение формы, количества и
положения органов (при действии радиоактивного облучения);
Изменение направления формы роста и ветвления (изменение направления роста корней одуванчика при изменении уровня грунтовых вод, изреживание кроны при газодымовом загрязнении);
Изменения прироста (изменения радиального прироста древесных стволов, прироста в длину побегов и листьев).
Слайд 17Популяционно-динамические изменения у растений
1. Плотность популяции – количество особей вида на
единицу площади или объема
Площадь покрытия лишайников хорошо коррелирует с концентрацией
сернистого газа в воздухе.
Увеличивать плотность могут популяции сорняков, галофитов и других устойчивых к антропогенному прессу видов.
Слайд 18Популяционно-динамические изменения у растений
2. Возрастная структура популяций -соотношение между молодыми, размножающимися
и старыми особями:
популяция омолаживается, если смертность возрастает, а стадии
развития укорачиваются (отмечено на сенокосных лугах, по сравнению с некосимыми, на городских газонах, в напочвенной растительности после прореживания лесов);
популяция стареет, если нарушается возобновление.
Слайд 19Популяционно-динамические изменения у растений
3. Экологическая структура популяций
Природные популяции обычно состоят из
нескольких экотипов – групп особей, приспособленных к разным условиям среды.
Экотипы
способствуют выживанию популяции при изменении условий местообитания.
В условиях негативных воздействий происходит распространение устойчивых, вытеснение ими чувствительных экотипов
Слайд 20Популяционно-динамические изменения у животных
1. Плотность популяций
Для биоиндикации важен выход этого показателя
за пределы нормы:
а) сокращение популяций:
сокращение плотности популяций зерноядных птиц в
результате массового отравления ртутьсодержащими соединениями, в Швеции в начале 50-х годов ХХ в.;
хлорорганические соединения (ДДТ) привели к сокращению популяций дневных хищных птиц;
б) рост популяций:
озерных чаек в Средней Европе обусловлен эвтрофикацией культурных ландшафтов;
сосущих растительноядных насекомых (в основном тлей) при действии выхлопных газов (причины – уменьшение врагов, а также физиологические и биохимические изменения растений-хозяев под действием поллютантов).
Слайд 21Популяционно-динамические изменения у животных
2. Динамика численности популяций
Обычно возрастает амплитуда колебаний
плотности популяций:
навозные и компостные виды коллембол в городе: сезонные пики
численности могут смещаться на иные сроки (в городе, где среднегодовая температура выше, чем в природе, на несколько градусов, коллемболы имеют ранневесенний пик, как в более южных зонах).
Слайд 22Популяционно-динамические изменения у животных
3. Пространственная структура.
Распределение особей в пространстве обычно становится
более мозаичным, поскольку животные концентрируются на менее нарушенных участках.
Нарушается размещение
особей, свойственное природным популяциям.
Слайд 23Биоиндикация на биоценотическом уровне
Сообщества (или биоценозы) - совокупность видов растений,
животных, микроорганизмов и грибов определенного местообитания.
Для описания сообществ используют:
общая численность,
видовое богатство и разнообразие,
видовая структура,
экологическая структура (спектры жизненных форм, биотопических групп),
изменение показателей во времени.
Слайд 241. Общая численность
Обычно падает, а если повышается, то за счет численности
очень немногих устойчивых к нарушениям видов.
Например, в городе численность
птиц поддерживают стаи голубей, воробьев, ворон.
На полях высокая численность насекомых достигается за счет вспышек численности вредителей.
Слайд 252. Видовой состав и разнообразие сообществ
При слабом нарушении среды количество
видов растет, так как сообщество становится «открытым» для видов других
сообществ, больше становится рудеральных и синантропных видов.
Дальнейшее усиление воздействия сопровождается выпадением редких и чувствительных к нарушению видов.
Слайд 263. Видовая структура
Все виды в сообществе можно разделить на 4 группы:
а) многочисленные – доминанты,
б) менее
многочисленные – субдоминанты,
в) малочисленные
г) редкие виды.
Распределение видов по группам численности в природном и нарушенном сообществе различается
При нарушении в сообществе сокращается «запас прочности» – группы малочисленных и редких видов.
Иногда для выделения этих групп используют не численность, а биомассу, встречаемость или проективное покрытие, как у растений, но общая закономерность сохраняется.
Слайд 274. Спектр жизненных форм
При нарушениях наблюдается замещение одних жизненных форм другими.
При рекреационной нагрузке в сообществе коллембол начинают исчезать группы подстилочной
жизненной формы, но сохраняются почвенная и поверхностно-обитающая группы.
Слайд 28 Биоиндикация на экосистемном уровне
Экосистемный уровень предполагает изучение круговорота веществ и
потоков энергии.
Круговорот веществ осуществляется при участии запаса биогенных элементов,
организмов-продуцентов, организмов-консументов и организмов-редуцентов.
Среди различных показателей экосистем для биоиндикации представляют интерес трофическая структура и сукцессионные изменения.
Слайд 29Трофическая структура
Нарушение соотношения между
блоками продуцентов, консументов, редуцентов.
Например, вблизи комбинатов цветной металлургии, расположенных
в таежной зоне, толщина подстилки достигает 20 см, превышая норму в 3–4 раза.
Это происходит из-за угнетения почвенных беспозвоночных, ускоряющих процесс разрушения растительных остатков.
Слайд 302. Сукцессии – естественные смены сообществ от простых и неустойчивых
до сложных и устойчивых.
Антропогенный пресс нарушает естественный ход сукцессий.
Страдают,
прежде всего, заключительные стадии – зрелые климаксные сообщества не формируются.
Например, при лесной рекультивации отвалов угледобывающей промышленности посаженные деревья не образуют настоящих лесов.
Слайд 31 В целом, нарушения среды на ценотическом и экосистемном
уровнях приводят:
к упрощению структуры сообществ и экосистем;
нарушению внутренних связей (между видами,
экологическими группами, блоками экосистемы и т.д.), т.е. механизмов саморегуляции сообществ и экосистем.
Слайд 32Биоиндикаторы
Биоиндикаторы – это биологические объекты (от клеток и
биологических макромолекул до экосистем и биосферы), используемые для оценки состояния
среды.
Биоиндикаторы – организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки.
Слайд 33Биоиндикаторы
Критерии выбора биоиндикатора:
быстрый ответ;
надежность (ошибка
природе объект).
Слайд 34Типы биоиндикаторов:
Чувствительный - быстро реагирует на незначительные отклонения показателей от
нормы.
Аккумулятивный - накапливает воздействия определенное время без проявляющихся нарушений.
Слайд 35Биоиндикаторы
Характеристики биоиндикаторов:
Специфичность: при низкой специфичности биоиндикатор реагирует на
разные факторы, при высокой – только на один
Чувствительность: при низкой
чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой – на незначительные.
Слайд 36Требования к биоиндикаторам
накопление загрязняющих веществ не должно приводить к гибели
организмов;
численность организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния
на их воспроизводство;
в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны многолетние виды;
биотесты должны быть генетически однородны;
должна быть обеспечена легкость взятия проб;
Слайд 37Требования к биоиндикаторам
должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования;
биотесты должны обеспечивать
получение достаточно точных и воспроизводимых результатов;
биоиндикаторы должны быть одновозрастными и
характеризоваться, по возможности, близкими свойствами;
диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20-30%;
Слайд 38Типы чувствительности биоиндикаторов в зависимости от времени
I. Биоиндикатор
проявляет спустя определенное время внезапную и сильную реакцию, продолжающуюся некоторое
время, после чего перестает реагировать на загрязнитель.
Слайд 39
II. Биоиндикатор в течение длительного времени линейно реагирует
на воздействие возрастающей концентрации загрязнителя.
Слайд 40 3. Биоиндикатор реагирует с момента появления нарушающегося воздействия
с одинаковой интенсивностью в течение длительного времени.
Слайд 41 4. После немедленной, сильной реакции у биоиндикатора наблюдается
ее затухание, сначала резкое, затем постепенное.
Слайд 42 V. Под влиянием загрязнителя реакция биоиндикатора постепенно становится
все более интенсивной, однако, достигнув максимума, постепенно затухает.
Слайд 43VI. Реакции и типы неоднократно повторяются, возникает осцилляция биоиндикатор-ных параметров.
Слайд 44Формы биоиндикации
В зависимости от реакции, проявляемой системой на
действие того или иного фактора, различают 2 вида биоиндикации:
регистрирующая:
позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции
биоиндикация по аккумуляции: использует свойство живых организмов накапливать те или иные химические вещества.
Слайд 45Формы биоиндикации
Как правило, наблюдается определенное соподчинение реакций, возникающих
в ответ на какой-нибудь действующий фактор.
Первая реакция
создает основу для первичной биоиндикации, следующая - для вторичной биоиндикации.
Слайд 46Формы биоиндикации
Специфическая: изменения живой системы можно связать с конкретным фактором
среды (высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях
табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен.
Неспецифическая: различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию (снижение численности почвенных беспозвоночных при различных видах загрязнения почвы, при вытаптывании, в период засухи и по другим причинам).
Слайд 48Формы биоиндикации
Если антропогенный фактор действует непосредственно на биологический элемент, то
речь идет о прямой биоиндикации (серебристые пятна на листьях табака
возникают от прямого действия озона).
Если биоиндикация становится возможной только после изменения состояния под влиянием других непосредственно затронутых элементов, говорят о косвенной биоиндикации (действие гербицида изменение растительного покрова падение численности саранчовых и рост численности тлей).
Слайд 49ПРЯМАЯ БИОИНДИКАЦИЯ КОСВЕННАЯ БИОИНДИКАЦИЯ
Факторы
Реакция
Факторы Реакция
среды живой системы среды живой системы
А α А Б α
Слайд 50Биоиндикация состояния водных экосистем
Олигохетный индекс (ОИ) впервые был предложен Гуднайтом
и Уитлеем в 1961 г.
массовое развитие олигохет – индикатор
спуска бытовых отходов.
отношение количества малощетинковых червей к общему количеству зообентоса в водоеме
Слайд 51Классификация таксонов крупных организмов
по отношению к чистоте воде (трёхуровневая оценка
степени загрязнения)
Слайд 52 Группа 1. Эти организмы погибают в
грязной воде. Преобладание их – признак очень чистой воды.
Группа 2. Эти организмы могут существовать в воде различной степени загрязненности.
Группа 3. Эти организмы выживают даже в очень грязной воде.
Слайд 53Оценка качества воды делается следующим образом
Загрязненная вода – 90% организмов
и более относятся к 3-й группе индикаторов.
Малозагрязненная вода (удовлетворительного качества)
– от 11 до 30% организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й и 2-й групп.
Чистая вода – 30% и более организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й группы.
Слайд 54Индекс Майера использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам
с определенным уровнем загрязненности.
Слайд 56Представители организмов-индикаторов каждой из групп
1-ая гр. : личинки ручейников
Слайд 58Индекс Вудивисса учитывает сразу два параметра бентосного сообщества: общее разнообразие
беспозвоночных и наличие в водоеме организмов, принадлежащих к "индикаторным" группам.
При повышении степени загрязненности водоема представители этих групп исчезают из него примерно в том порядке, в каком они приведены в таблице.
Слайд 59Таблица. Представители видов-индикаторов
Слайд 60Виды повреждения и усыхания хвои
а) хвоя без пятен (КП1), нет
сухих участков (КУ1); б) хвоя с небольшим числом мелких пятен
(КП2), нет сухих участков (КУ1); в) хвоя с большим числом желтых и черных пятен (КП3), кончик усох на 2-5 мм (КУ2); г) усохла треть хвоинки (КУ3); д) усохло более половины длины хвоинки (КУ4); е) вся хвоя желтая и сухая (КУ4). КП – класс повреждения ( некрозы), КУ – класс усыхания хвои.
