Мониторинг биологических переменных
Для биоиндикации могут использоваться показатели биосистем всех рангов. Обычно, чем ниже ранг биосистемы, используемой в качестве биоиндикатора, тем более частными могут быть выводы о воздействиях факторов среды и наоборот. Организмы и суборганизменные структуры. K биосистемам суборганизменных рангов относятся молекулы и молекулярные комплексы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), клеточные органоиды, клетки, ткани, органы и системы органов. Для биоиндикации наиболее показательны следующие характеристики
• химический состав клеток;
• состав, структура и степень функциональной активности феноменов;
• структурно-функциональные характеристики клеточных органоидов;
• размеры клеток, их морфологические характеристики, уровень активности;
• гистологические показатели;
• концентрации поллютантов в тканях и органах;
• частота и характер мутаций, канцерогенеза, уродств.
Тератогенный эффект факторов среды - способность вызывать y тест-организмов различные уродства, пороки развития. Последствия тератогенных воздействий различны: в одних случаях тератогенез может проявляться только на уровне клеточных органоидов, отдельных клеток; в других затрагивает ткани, органы и весь организм. Большое значение для биоиндикации состояния окружающей среды и её антропогенных изменений имеют многочисленные структурные (анатомические) и функциональные (физиологические) характеристики организма. Использование некоторых структурных и функциональных характеристик сообществ (особенно фито-, зоо- и бактериопланктона и бентоса) для оценки качества водной среды (наряду с абиотическими показателями) является обязательным (ГОСТ 17. 1. 3 . 07-82; ГОСТ 17. 1. 2. 04-77;Рд 52. 24. 565-%о; Рд 52. 24. 564-96; Рд 52. 24. 420-95 и др.).
Наиболее широко применяется оценка скорости аэробной деструкции органических веществ - биохимическое (или биологическое) потребление кислорода (БПК) планктоном. ВПК легко определяется экспериментально, оно выражается обычно в миллиграммах кислорода, расходуемого при деструкции в единице объёма воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5 суток). Соответствующая величина БПК обозначается БПК5. БПК5 является одним их шести обязательных показателей при расчете индекса загрязненности воды.
Первичная продуктивность водных экосистем и их способность к самоочищению обычно оценивается по величине первичной продукции планктона и по соотношению скоростей образования валовой первичной продукции и деструкции (Р/R). Принятая классификация качества воды водоемов и водотоков по биотическим показателям (ГОСТ 17. 1. 3. 07-82) учитывает следующие характеристики:
• отношение общей плотности олитхег к общей плотности сообщества зообентоса (класс Oligochaeta - малощетинковые черви; многие их виды характеризуются повышенной устойчивостью к загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсолютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязнённых водоёмом);
• концентрацию в воде всех бактерий и отдельных сапрофитных, т. е., активно разлагающих органических веществ;
• индекс сапробности (и модификации Сладечека) по фитопланктону, зоопланктону, перефитону;биотический индекс Вудивисса.
Шкала и индексы сапробности.
Сапробностыо называется степень загрязненности водоёма органическими веществами, доступными редуцентам. B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов-индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненности органическими веществами следующим образом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82):
• ксеносапробная зона (I класс чистоты) - вода “очень чистая”;
• олигосапробная зона (II класс чистоты) - вода “чистая”; • бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) - вода “слабо
(умеренно) загрязнённая”;
• альфа-мезасапробная зона (IV класс чистоты) - вода “загрязнённая”;
• полисапробная зона (V класс чистоты) - вода “грязная”;
• гиперсапробная зона (VI класс чистоты) - вода “очень грязная”.
Биологических переменных, характеризующих состояние отдельных особей, группы организмов, целых попуцляий и экосистем, теоретически может быть бесконечное число. Но среди них имеется относительно немного параметров, тесно связанных с важнейшими показателями состояния группы организмов или отдельных особей. K важнейшим показателям относятся прежде всего, признаки предетального состояния организма или группы организмов, нарушение репродуктивных способностей, жизненного цикла и некоторые другие. Наиболeе пoлнo вопросы мониторинга биологических переменных были обсуждены весной 1979 г. нa семинаре в США. На семинаре было выделено семь секций: биохимия, физиология, паталогия, поведение, генетика, экология и биотестирование. B опубликованных тpудаx семинара приводятся списки биологических параметром, рекомендуемых для включения в программы биологического мониторинга, и методы их определения. Эти методы в сочетании с классическими позволяют наиболее полно описать состояние наблюдаемых экосистем, если известны критерии оценки полезности биологических переменных для мониторинга загрязнения, и определен диапазон изменений биологических переменных.
Прицнипы отбора биологических переменных.
Возникновение потребности в разработке конкретных программ биологического мониторинга привело к необходимости составления приоритетных списков структурных и функциональных переменных по уровням организации. На пути преодоления этих трудностей за основу было взято несколько существующих в литературе схем уровней организации живого B соответствии со схемой Ю. Одума (1975),спектр уровней организации изображается в виде горизонтального ряда. По мнению Одума, все уровни в равной степени заслуживают внимания исследователей. Двигаясь слева направо, от генетических сисистем до экосистем, одни переменные становятся более важными и изменчивыми, в то время как важность других становится пренебрежительно малой, a их изменчивость едва заметной. Если в основу наложить схему уровней организации, предложенную H. П. Наумовым (1972), то картина будет иная (табл. 1).
Иерархия структуры органического мира. (табл. 1)
| Уровни | Ступени | ||
| Молекулярно-клеточная | Организменная | Надорганизменная | |
| Низший | Молекулы однго класса | Ткани | Популяции |
| Средний | Органоиды, клетки | Органы, их системы | Биоценотические комплексы |
| Высший | Клетки | Организмы | Биоценозы |
При таком подходе H. П. Наумову удалось выделить характерный уровень иерархии структуры органического мира, на котором живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению. Обычно неизвестен характер связи между показателями низшего и среднего уровней и основным показателем, которым обладает только высший уровень -воспроизводство. Поэтому в токсикологических опытах предпочтение отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, a не среднего и низшего уровней. Набор биологических откликов для низшего и среднего уровней молекулярно-клеточной и организменной ступеней зависит главным образом от степени развития методических приемов, которые приходят из физики, химии, кибернетики и других наук. Широкий арсенал методических приемов позволяет получать разнообразную информацию как о структуре жизненно важных макромолекул, биомембран и органоидов клетки, так и о кинетике внутриклеточных процессов.
Для практических нужд в первую очередь используются простые методы, с помощью которых можно измерять физиолого-биохимические показатели, имеющее высокую корреляцию с такими важными переметными, как смертность, рождаемость, продолжительность жизни и др.
Механизмы, лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций или сообществ при воздействии одного и того же повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней структуры живого описывается определенным набором переменных, принадлежащих только данной ступени. Включению биологических переменных в программы биологического мониторинга предшествует отбор переменных, исходя из определенных критериев. B первую группу были включены критерии, отражающие фундаментальность биологического воздействия, во вторую - оценивающую эффективность биологических измерений и в третью - практическую ценность переменных, предлагаемых для включения в программы мониторинга.
Первая группа охватывает следующие критерии:
1. существование связи между выбранной переменной и такими показателями, как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества и экосистемы;
2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на низших и высших уровнях организации;
3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему;
4. возможность возврата переменной к своему первоначальному значению после прекращения действия возмущающего фактора;
5. специфичность действия фактора для определения группы организмов.
Вторую группу составляют следующие критерии:
1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением;
2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый отклик переменной;
3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие наблюдаемый эффект;
4. величина отрезка времени, в течение которого формируется отклик (часы, дни, годы);
5. легкость обнаружения превышения “сигнала” отклика над природным фоном (шумом”);
6. точность измерения наблюдаемого отклика переменной.
B третью группу критериев входят:
Оценка стоимости измерения отклика переменной, которая включает стоимость капитального оборудования, обучения персонала и штатов, a также оценка диапазона использования отклика переменной в программах биологического мониторинга. Обычно программы биологического мониторинга строятся таким образом, чтобы он включали намерение как неспецифических, так и специфических биологических откликов. Так как отклики на высших уровнях организации (популяции и сообщества) более важны с экологической точки зрения, по практически не несут информации об изменениях на низших уровнях организации - клеточном и молекулярном. B то же время последние являются более чувствительными и специфичными показателями. В этом случае выбранная биологическая переменная будет либо общим (неспецифическим) показателем изменений окружающей среды, так как загрязнение обычно представляет собой комбинацию разнообразных веществ и переменных окружающей среды, либо специфическим откликом на известный класс веществ, выбранный для определения связи “причина-эффект”. Если программой биологического мониторинга предусмотрена оценка состояния окружающей среды с учетом общих и специфических показателей, то в программу надо включать биологические переменные, отвечающие разным уровням биологической организации.
Молекулярный уровень.
Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принадлежащие к одному семейству или отряду, a иногда и к разным таксонам, мы видим больше сходства, чем различия. Высокая степень сходства молекулярно-клеточной организации и биохимических превращений по сравнению с более высокими уровнями организации не может не удивлять. Это удается проследить при переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. И, несмотря на то, что различие удается установить только на молекулярном уровне организации, атомный, т. е. домолекулярный, уровень не входит в иерархическую структуру живого органического мира; оказывается, что именно здесь обеспечивается высокая степень универсализма как структуры и функции молекул, так и биохимических реакций. Заметные различия обнаруживаются даже у близкородственных видов только при переходе на более высокие уровни организации (ткань, органы, организм).
Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии токсических веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опытах с одними организмами на тканевом или организменном уровне. B настоящее время имеется большой выбор переменных, используемых в биохимии и молекулярной биологии, которые могут быть включены в программы мониторинга, осуществляемого для молекулярного уровня. B соответствии с ранее описанными критериями к молекулярному уровню отнесены следующие биологические переменные: отношение концентраций таурин/глицин, концентрация металлотионеинов, содержание стероидов, содержание оксигеназы со смешанной функцией, энергетический заряд, хромосомные нарушения. Перечисленные биологические переменные можно разделить, на две группы: специфические, реагирующие на определенные вещества, и неспецифические, реагирующие на любые воздействия, включая загрязняющие и биогенные вещества.
Оксигеназы со смешанной функцией.
Цитохром P-450 - гемопротеид, содержащийся в оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к универсальной молекуле. Она обнаружена у бактерий, высших растений и млекопитающих. Наряду с основными функциями цитохром; P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функцией у организмов, взятых в качестве пробы из естественных популяций, может свидетельствовать о хроническом или остром загрязнении морской среды нефтепродуктами. Вероятно, предсказательная ценность этого показателя повысится, если будут уточнены границы его применимости.
Металлотионеины.
Процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов морских рыб, моллюсков и ракообразных идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками. Так, например,при действии ртути в концентрации 5 мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях, связанное с ферментно-белковым аулом, и снижение значений показателя роста (Сариххо, 1981). При действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами. B таких случаях о токсическом действии по концентрации металлов в тканях морских организмов можно судить с определенной осторожностью. Однако не все тяжелые металлы могут подвергаться детоксикации путем образования комплексов с металлотионеиновыми белками. Несмотря на это ограничение, содержание металлотионеинов в организмах, взятых из загрязненных экосистем, следует отнести к перспективным специфическим переменным, которые могут занять достойное место в системе мониторинга загрязнения морской среды тяжелыми металлами.
Энергетический заряд.
Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать количество химически связанной энергии, запасенной в пуле адениновых нуклеотидов и доступной в данный момент для метаболических процессов в организме. Энергетический потенциал определяется по формуле
ЭП= (АТФ+1/2АДФ) / (АТФ+АДФ+АМФ)
Установлено, что активность одних ферментов зависит от концентрации АТФ, активность других определяется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ; АТФ/АДФ. Энергетический потенциал, являясь показателем энергетического состояния клетки, отражает общее регуляторное воздействие адениновых нуклеотидов на уровень клеточного метаболизма. Энергетический потенциал может измениться под действием внешних факторов. Снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированы под влиянием неблагоприятных факторов. 13 стрессовых условиях значения энергетического потенциала ниже 0,5 (Chapman et a1., 1971).
Основные достоинства метода с использован нем энергетического потенциала в качестве показателя воздействия загрязняющих веществ на биоту заключаются в следующем:
1. разность между значениями энергетического потенциала в нормальных и стрессовых условиях есть величина постоянная для данного организма;
2. внутривидовые различия значений энергетического потенциала очень малы, что позволяет работать с выборкой небольшого объема;
3. ответ на стрессовое воздействие может быть зарегистрирован быстрее, чем при использовании других показателей, к недостатку этого показателя относится, прежде всего, то, что при постоянном значении энергетического потенциала время обращения может значительно варьировать (Кпоw1ев, 1977). Поэтому стрессовые воздействия, влияющие на время обращения пула адениновых нуклеотидов, зарегистрировать трудно.
Стероиды.
Исследования метаболизма стероидных гормонов у морских рыб и млекопитающих свидетельствуют о том, что сублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на ферментные системы, ответственные за стероидогенез, который в свою очередь определяет функционирование гомеостатического механизма животных. Обнаружена достоверная корреляция между влиянием сублетальных концентраций некоторых загрязняющих веществ и метаболизмом стероидных гормонов у птиц, рыб и морских млекопитающих. Однако эти данные были получены на небольшом экспериментальном материале и лишь в нескольких лабораториях. Поэтому показатель активности метаболизма стероидных гормонов сможет найти место в программах мониторинга на молекулярном уровне лишь мосле дополнительных исследований на широкой группе позвоночных и беспозвоночных животных. Именно по этой причине этот показатель не может быть рекомендован для включения в ныне действующие программы мониторинга.
Рис. 1. Генетические последствия влияния загрязнения на популяцию
Хромосомные нарушения.
Хроническое или случайное присутствие загрязняющих веществ антропогенного может привести, к различным нарушениям генетического плана (рис. 1). Например, присутствие загрязняющих веществ может изменить состав генетического пула, что в условиях генетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненного фенотипа популяции. Загрязняющее вещество может непосредственно влиять на генетический материал или вызывать различного рода мутации. При наличии специальной системы лабораторных тестов на мутагенность генетик может определить, какие вещества, поступающие в среду, обладают мутагенными свойствами.
Уровень ограноидов
Стабильность лизосом
Лизосомы во многих отношениях являются идеальной клеточной органеллой для исследований интегрального отклика на воздействие неблагоприятных факторов среды. Лизосом-фагосомный комплекс образует вакуолярную внутриклеточную пищеварительную систему, которая способна катаболизировать как эндогенные клеточные компоненты, так и экзогенные вещества. Считают, что в норме основной функцией лизосом является расщепление цитоплазматических компонент внутри вакуоли. В стрессовых условиях лизосомы могут перейти на гетерофагию, которая включает эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз). Главным образом питательных веществ из внеклеточной среды и их последующий транспорт в лизосом-вакуолярную систему. Таким путем может происходить внутриклеточное потребление внеклеточных веществ.
Одним из фундаментальных биохимических свойств лизосом является изоляция обладающих огромной разрушительной силой гидролитических ферментов. При нарушении стабильности мембран при определенных условиях возможны активизация гидролитических ферментов и в некоторых случаях выход их в цитоплазму, приводящий к частичному или полному цитолизу. Обнаружено, что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические углеводороды, асбест, кремнезем, производные аминоазобензина, бериллит, металлические порошки и вирусы, a также ионы меди, железа, свинца, цинка, никеля, серебра, ртути и плутония. Когда накопление этих веществ в лизосомах превышало некоторый уровень, мембраны лизосом разрушались и, как следствие, наблюдалась активация н выход ферментов в цитоплазму.
Клеточный уровень
Имеется ряд работ, в которых связь между загрязнением и повреждением клетки эпидермы и гиподермы ракообразных установлена электронно-микроскопическим методом. Использование этого показателя, несмотря на дорогостоящую, сложную методику и аппаратуру, в ряде случаев считается оправданным в системах мониторинга для выявления ранних повреждений, вызванных загрязнением (Sindermann et a1., 1980).
Тканевой уровень.
O наличии в морской среде загрязняющих веществ можно судить no морфологическим аномалиям или заболеваниям животных жгли растений. На сегодняшний день описан ряд болезней и патологических изменений у морских и эстуарных рыб, растений и беспозвоночных, возникающих при загрязнении. Однако в практику биологического мониторинга загрязнения морской среды можно внедрить лишь небольшое число патологических проявлений.
Для отбора показателей предлагается ввести дополнительные критерии:
1.наличие данных, показывающих связь заболевания с загрязнением;
2.изменчивость аномалии в зависимости от места, сезона, a также возраста и размера организма;
3.легкость и точность измерения аномалии;
4.относительная устойчивость аномалии;
5.затраты времени и стоимость получения данных;
6.соответствие специфичности аномалии в загрязнения;
7.виды, для которых характерна данная аномалия;
8.наличие данных о биологии и экологии используемых видов.
Язвы на коже
Язвы на коже, наблюдались у многих видов рыб, отловленных вблизи побережья и вдали от него. У трески обитающей в водах Северной Европы, частое появление этих язв получило название “ язвенного синдрома”. Недавнее исследования продемонстрировали связь между сезонными изменениями этого синдрома, степень о загрязнения вод углеводородами и увеличением в воде популяций, потенциально патогенных для рыб. Весной процент больных рыб у побережья выше, чем вдали, но к лету эта зависимость становится менее очевидной. Поэтому при отлове рыб с целью мониторинга нужно учитывать сезон года. Кроме того, следует проводить микробиологические тесты проб, взятых из донных осадков и водной толщи.
Эрозия плавников
эрозия плавников - одно из наиболее распространенных заболеваний рыб, четко связанное с загрязнением эстуарной и прибрежной среды.
встречаются два типа эрозии плавников. У приданных рыб, видимо, в результате прямого контакта с загрязненными донными осадками поражаются спинной и. анальный плавники, a у пелагических прибрежных рыб наблюдается общая эрозия, но с некоторым преимущественным поражением хвостового плавника. Вероятней всего, причины эрозии носят комплексный характер и могут включать химическиё агенты (которые влияют на мускус эпителий), дефицит растворенного кислорода в воде и вторичное бактериальное заражение. Систематическое заражение бактериями не обязательно связано с появлением эрозии плавика, хотя в пробе, взятой из язвы, можно выделить многие виды бактерий. Наблюдение за этим показателем рекомендуется проводить с учетом сезона года, размера рыб, чувствительности вида, условий обитания и миграции.
Аномалии скелета
3a последние годы увеличилось чис
Опухоли
Опухоли были обнаружены у представителей всех классов холоднокровных позвоночных, у двустворчатых моллюсков и насекомых. У 60 морских видов животных из разных групп и местообитаний были обнаружены инфекционные опухоли. Опухоли у рыб и моллюсков являются потенциально полезными показателям для мониторинга морской среды, по ограниченное географическое распространение видов, имеющих опухоли, и отсутствие опухолей у видов, имеющих широкое географическое распространение, a также недостаток данных о причинах; вызывающих опухоли, исключают возможность использования какого-то одного вида морской рыбы в качестве универсального индикатора.
Использование двустворчатых моллюсков для мониторинга химических карциногенов в окружающей среде имеет значительные преимущества, так как они, в отличие от рыб, например, профильтровывают большие количества воды в течение длительного времени. Важно также то, что относительно небольшое число видов обитает почти во всех эстуариях Мирового океана.
Более того, рак крови у двустворок описан для четырех континентов, и, хотя имеются доказательства в пользу как вирусной, так и химической этиологии этого заболевания, его появление, по-видимому, связано с присутствием загрязняющих Методика определения рака крови у моллюсков чрезвычайно проста и состоит в наблюдении за мутностью 0,5 смз жидкости, полученной из тела. Нормальные гемоциты прилипают стеклу, и капля быстро становится прозрачной. Раковые клетки становятся круглыми, не прилипают к стеклу, и сама капля очень похожа на каплю молока.
Иммунная реакция
Современными иммунологическими исследованиями показано, что рыбы в противоположность беспозвоночным вырабатывают высоко специфические антитела. Оказалось, что антитела, патогенные для человека, встречаются в 1,5-6% рыб мороне обитающих в заливе Чесапик. Это было отмечено преимущественно в эстуарных районах вблизи крупных поселений, причем кросскорреляция среди антител небольшая.
Имеется очень мало доказательств подавления иммунных реакций непосредственно загрязнениями. Так, при действии кадмия на рыб обнаружено снижение эффективности реакции фагоцитов. Были получены данные о генетическом отборе рыб с более высокими уровнями антител. Таким образом, тест на присутствие у рыб антител, патогенных для человека, может стать важной частью мониторинга, особенно ценной для тех видов рыб, которые имеют строго ограниченный ареал обитания.
Лимфоцитоз
Лимфоцитоз - заболевание, широко распространенное среди плоских рыб. Оно характеризуется образованием опухолеподобной ткани под кожей, содержащей гипертрофированные фибробласты размером до 2 мм. Это заболевание имеет вирусное происхождение. B некоторых случаях они могут быть переносчиками паразитов рыб. Имеются данные о том, что лимфоцитозом чаще заболевают рыбы, обитающие в загрязненных и нагретых водах. Поэтому этот показатель можно использовать для мониторинга, хотя следует иметь в виду, что лимфоцитоз иногда встречается среди популяций рыб и в незагрязненном районе в результате эпидемии. Известно, что некоторые болезни рыб находятся в скрытом состоянии и могут быть спровоцированы при действии неблагоприятных факторов. таким образом, лимфоцитоз служит ранним сигналом неблагополучного состояния среды и может в определенных условиях успешно использоваться в системах мониторинга.
Жаберная гиперплазия
Рыба может реагировать на химические вещества гиперплазией (клеточной пролиферацией) жаберного эпителия. Но количественная связь “причина-эффект” не известна, и ее еще предстоит выявить. Получить жаберные пробы не представляет особого труда.
Изменение ткани печени
Известно, что печень играет важную роль в детоксикации выведении загрязнении. Имеются экспериментальные данные том, что под действием загрязнения происходят различные паралогические изменения в ткани печени, в том числе образование, опухолей.
Уровень органов и систем органов
Мониторинг загрязнения на тканевом уровне, как уже было описано выше, большей частью связан с поражением того или иного органа или систем органов. Состояние органов оценивают по морфологическим и функциональным показателям.
Организменный уровень.
Основная цель отбора биологических показателей на организменном уровне сводится к оценке главным образом физиологического состояния особи и ее поведения, a также биологической значимости данных по концентрации загрязняющюших веществ в теле морских организмов. Однако эти данные будут представлять интерес только в том случае, если изменен величины отклика используемых показателей коррелируют изменениями на экосистемном уровне, т, е. если изменения физиологических показателей приведут к изменению экологической слаженности.
Влияние размера можно учесть, используя уравнение аллометрического роста v=аMb (где v - скорость роста, M - масса тела, a – постоянная b - показатель). Измерения физиологических показателей можно приурочить к какой-то фазе репродуктивного цикла или к какому-то времени года. Реакция организмов на загрязнение не всегда линейно за висит от действующей концентрации, так как существует пороговый уровень, ниже которого организмы могут детоксифицировать вещество. Аномальные отклики сигнализируют о том, что этот порог превышен. При надпороговых значениях концентрации вещества физиологическая реакция будет соответствовать величине действующего фактора. Если перенести организм чистую среду, то он снова окажется способным к детоксикации загрязнения, что, в конечном счете, приведет к нивелированию отрицательного отклика.
Питание.
для морских животных характерны разнообразные способ питания травоядность, питание детритом и седиментами фильтрация, некрофагия и хищничество. Процесс питания сложный и включает не только непосредственно пищеварение, но и поведенческие компоненты: поиск пищи, выбор и поимку жертвы, фильтрацию пищи из водного столба, завывание в донных осадках и др. Изменение скорости питания взвесью или осадками и образование фекалий служат показателями физиологического состояния в условиях загрязнения. Показатель скорости питание в естественных условиях изменяется в широких пределах. Он весьма чувствителен даже к небольшим изменениям количества доступной пищи, что сильно усложняет задачу определения фонового уровня.
Дыхание.
Скорость потребления кислорода. По этому показателю можно судить о физиологическом состоянии как целого организма, а так и изолированных тканей.Однако интерпретация данных измерений по потреблению кислорода затруднена из-за того, что обычно не учитывается влияние других экологических факторов, таких, как соленость, температура, время года и др. Респираторная активность. B программах мониторинга используются три показателя активности дыхания главным образом у пресноводных рыб: частота кашля, частота оперкулярного движения и частота сердцебиений. Частота кашля изменяется под действием физических (например, взвешенные твердые частицы) или химических (например, тяжелые металлы) факторовна эпителий жабр. Измерения частоты оперкулярного движения проводились на многих видах рыб в присутствии разных загрязнителей изменение обычно связано с уровнем потребления кислорода, хотя последний может быть сбалансирован за счет регуляции амплитуды движений. Изменение частоты сердцебиения также связано с изменениями потребления кислорода, хотя и в этом случае компенсация может быть достигнута путем изменения глубины дыхания. Из трех показателей частота кашля, по-видимому, наиболее чувствительный и удобный для исследователя отклик на широкий круг загрязнений.
Выделение и азотный баланс
Продукты выделения морских животных включают аммиак, мочу, аминокислоты и пурины. Баланс между поступающими в организм веществами с пищей и их выделением с продуктами жизнедеятельности обычно рассчитывают с помощью уравнения энергетического баланса и показателей роста. В тех случаях, когда содержание азота в пище лимитировано, потеря азота в выделениях может свидетельствовать об азотном нарушении баланса. Скорость выделения, превышающая значения нормы, может свидетельствовать о стрессовой ситуации, вызванной серьезным нарушением питания под влиянием загрязнения. Скорость выделения азота может дать больше информации о состоянии животного, если ее рассматривать наряду с другим физиологическими показателями. Отношение потребленного кислорода к выделенному азоту (отношение O/N) является индексом катаболического баланса белка, углеводов и липоидов, там как атомные эквиваленты потребленного кислорода при катабализме и выдeленного азота колеблются. Высокое значение индекса O/N указывает на преобладание липидного или угле водного катаболизма над распадом белков. Теоретическое минимальное значение O/N при исключительно белковом катя холизме равно приблизительно 7.
Рост.
Рост – один из важнейших параметров, характеризующих состояние популяции в конкретных условиях окружающей среды. Поскольку снижение скорости роста животных является неспецифическим откликом на любые стрессовые воздействия, следует быть очень внимательными при использовании этого показателя и интерпретации получаемых данных. 3амедление роста может наступить из-за снижения интенсивности питания или увеличения расхода энергии, связанного с дыханием или выделением, под действием разных экологических факторов – температуры, солености, концентрации 02, концентрации пищи, ионов металлов, нефти, скорости движения воды и др. Рост отдельных особей можно измерять прямым методом или косвенно. Непрямой метод, или физиологическая оценка роста является интегральным, поскольку включает измерение таких физиологических переменных, которые отдельно и вместе характеризуют состояние особи.
Несмотря на то, что лабораторные и полевые исследования по влиянию загрязнения на показатели роста в основном выполнены на ракообразных и двустворчатых моллюсках, a для рыб имеются данные только лабораторных опытов, этот показатель следует активно использовать в программах мониторинга.
Воспроизводство.
Снижение значений показателей роста может привести к снижению плодовитости животного, так как на образование гамет расходуется существенная часть запасаемой энергии. Любые наблюдаемые снижения показателей роста, особенно во время созревания гамет, могут быть сигналом резкого снижение репродуктивной способности родительского организма. Эмбриональные и личиночные стадии развития, как правило, наиболее чувствительны к токсикантам по сравнению со взрослыми особями. При изучении действия загрязняющего вещества на воспроизводство следует иметь в виду, что часть его может накапливаться в икринках и сохраняться там длительное время . (Ross Anderson, 1978). Контроль за этим накоплением позволяет с некоторой долей вероятности прогнозировать последующие стадии развития организма.
Определение плодовитости и оценка жизнеспособности гамет являются полезными показателями состояния особей, с помощью которых можно объяснить некоторые экологические нарушения.
Состав крови.
При оценке состояния рыб и их откликов на изменение окружающей среды в последние годы стали чаще использовать гематологические методы. Исследования крови беспозвоночных в связи с влиянием фактора окружающей среды немногочисленны.
Показатели поведения организмов
Первый этап на пути использования показателей поведения в программах мониторинга морской среды заключается в разработке качественных и количественных критериев оценки изменения поведения при действии антропогенных факторов. Различают три подхода для оценки поведенческих реакций. Первый подход предполагает наблюдение за поведением животных, обитающих в естественных условиях. Второй - предусматривает перенос животных из лабораторных условий или контролируемых акваторий на какое-то время в естественные условия. Третий подход заключается в переносе воды и донных осадков из естественных условий в аквариумы, в которые помещают тест организмы. Окончательное решение вопроса о включении показателей поведения в программы мониторинга принимают после оценки их экологической значимости и связи с уровнем накопления в окружающей среде и контролируемых организмах.
Выбор организма или групп организмов - первый, необходимый шаг при разработке программ биологического мониторинга - основывается, прежде всего, на экосистеме, которая подвер гается антропогенному воздействию, Выбранный для мониторинга организм должен при появлении загрязнения своим поведением сигнализировать об изменившихся условиях. Чем чувствительнее поведенческие отклики к появлению химических вещeств и чем теснее они связаны с целостными свойствами экосистем, тем эффективнее использование выбранных организмов. Поведенческий отклик y любого вида формируется под влиянием разнообразных стимyлов. Но все они, так или иначе, связаны с общей стратегией поведения вида, направленной на выжигание. У морских организмов структура поведенческих реакций может видоизменяться в ходе индивидуального развития. Поэтому конкретная программа мониторинга должна учитывать этологическое особенности разных стадий развития организма, a также изменения этик показателей под влиянием сезонных, суточных и многолетних циклов. Однако если по каким-либо причинам этот поведенческий инстинкт нарушить, это приведет к снижению численности популяции из-за их потребления хищниками или гибели в холодной воде.
Для обнаружения изменений качества морской среды в определенной акватории выбирают контрольную станцию, в которой диапазон изменчивости модели поведения соответствует норме. Отклонения от нормы в поведении у животных, обитающих в районе загрязнения, свидетельствуют об изменении качества морской среды. Значительные изменения структуры всего сообщества сопровождаются, как правило, выпадением из сообщества одного или нескольких видов. Изменение модели поведения может вызвать также нарушение трофических связен. Haпpимep, необратимые нарушения хеморесценции или локомоции постепенно приведут к резким изменениям трофических отношений. Изменение привычного поведения хищника тут же отражается на изменении показателей популяции жертвы при условии, если жертва менее чувствительна к загрязнению, чем хищник. Если модель поведения изменяется под действием токсиканта, то это заведомо приводит, к изменению выживаемости вида, a в случае, если это доминантный вид, - ас существенным структурным изменениям в сообществе.
Выживаемость организмов в морской среде обеспечивается за счет комплекса сложных поведенческих реакций, которые сформировались в ходе длительной эволюции организмов. Чувствительность и адаптация к изменениям в окружающей среде, способы захвата пищи, избежание хищников и воспроизводство неразрывно связаны с условиями окружающей среды. Поэтому, например, сенсорную чувствительность и связанные с ней другие разновидности поведенческих реакций можно использовать для оценки действия загрязнения, если они связаны c выживаемостью организма. Любое регистрируемое изменение сенсорной чувствительности или модели поведения, связанной с ней, будет показателем степени воздействия загрязняющиx веществ.
Морские организмы реагируют на присутствие в воде естественных и искусственных веществ и очень небольших концентрациях. Более сложные поведенческие реакции, такие, как поиск пищи или спаривание, меньше пригодны для программ мониторинга. Их использование оправдано только в том случае, если биология тест организма и особенно его поведенческая реакция достаточно хорошо изучены. Таким образом, причиной изменения в поведении животных под действием загрязняющих веществ могут быть как изменение чувствительности хеморецепторов, Так и общее изменение их ответной реакции. Для того чтобы установить причины изменения поведенческой реакции, необходимо проводить нейрофизиологический контроль состояния хеморецепторов.
Популяционный уровень
Отбор подходящих видов
Для отбора видов необходимы подробные данные о бите изучаемого района. Объектом наблюдения может быть любая группа организмов: от микрофлоры до мегафауны и морских птиц. B тех случаях, когда программой предусмотрено использование относительно малоизученных видов, исследование их физиологии и экологии должно рассматриваться как фундаментальная часть программы. При отборе видов следует учитывать их пространственное распределение. B литоральной зоне находится наиболее доступная часть морских обитателей, и их использование особенно выгодно в случае наблюдения за антропогенными веществами, поступающими в море с поверхности, например нефти. C глубиной доступность к объектам ухудшается, и заметно возрастает стоимость отбора проб. Ограниченная доступность может вы звать необходимость многократного отбора проб, например в глубоководных районах, a это в свою очередь вынуждает разрабатывать соответствующие требования в отношении объема выборки и частоты их взятая. Предпочтение следует отдавать видам, чувствительным к потенциальным загрязнением, даже если они имеют ограниченное экологическое и промысловое значение.
Трудности отбора проб, включая и литоральную зону, связаны с особенностями поведения организмов в зависимости от сезона, возраста и миграции во время приливов. При разработке программ мониторинга следует брать широко распространенные в изучаемом районе виды. Это позволяет увеличить число наблюдаемых станций и изучаемых популяций, доступных для исследования. Отбор относительно равномерно заселенных мест обитания выбранного вида является необходимой частью последующих шагов, связанных с разработкой методов отбора проб. Эти меры позволяют уменьшить влияние естественной изменчивости - эту вечную проблему отбора проб в биологии. При отборе видов для мониторинга следует отдавать предпочтение видам, представляющим различные трофические уровни. И чувствительные к потенциальным загрязнением, даже если они имеют ограниченное экологическое или промысловое значение, a также ключевые виды, если их роль в сообществе известна.
Показатели популяционного уровня
Использование показателей популяционного уровня зависит от выбранных видов и целей программы мониторинга. Ростовые показатели. Данные об абсолютной или относительной скорости роста можно получить, изучая структуру популяции или видов известного возраста. Поскольку маркировку организмов проводить очень трудно, лучше всего использовать такие виды, у которых образуются ежегодные метки.
Воспроизводство
Изменение плодовитости особей, входящих в популяцию, может свидетельствовать о нарушении репродуктивного процесса. Этот показатель целесообразно использовать для видов, которые: откладывают относительно небольшое число яиц. Распределение и обилие видов. Распределение и обилие являются особо ценными показателям состояния популяции оседлых видов, особенно при изучении градиента загрязнения. B ряде случаев можно использовать искусственные субстраты для наблюдений за скоростью появления обрастателей, их распределением и обилием. Однако показатель обилия для подвижных форм обладает больной изменчивостью и низкой разрешающей способностью, поэтому его ценность для мониторинга Сравнительно невелика. Структура популяции. Для оценки этого показателя можно использовать методы определения возрастных групп, которые в ОСНОВНОМ Хорошо разработаны для двустворчатых МОЛЛЮСКОВ. Виды с растянутым периодом икрометания или с резкими изменениями скоростей роста малопригодны для мониторинга. Максимальная чувствительность структурного показателя популяции достигается при наблюдении за изменениями динамики популяции.
Биомасса
Биомасса - это структурный показатель, определение которого не представляет больших трудностей. Он бывает довольно постоянным для популяций бентоса, но обнаруживает заметную пространственную изменчивость, что ограничивает его применение в программах мониторинга. Биомасса растет даже при небольших количествах органики, поэтому заметные изменения среднего значения биомассы, вероятно, могут указывать на неблагоприятные условия в морской среде.
Обилие
Величина обилия меняется в больших пределах, чем биомасса, если она рассматривается для определенных размерных классов. Суммарное значение обилия, по-видимому, менее изменчиво, чем обилие отдельных популяций, по крайней мере, это справедливо для мейофауны.
Видовое разнообразие.
Число видов в данном таксоцене обычно сильно зависят от числа и размера взятой пробы. Измерение разнообразия основано на суммарном числе видов и особей и относительном обилии особей данного вида.
Число высших таксонов.
Простым методом мониторинга может быть регистрация числа особей c определением их до рода, семейства или порядка. Например, обнаружено постепенное снижение числа таксономических групп мейофауны в направлении от открытого моря к загрязненным прибрежным возам Южной бухты северного моря: на некоторых станциях оказалась всего одна группа (нематоды) или две (нематоды и копеподы) по сравнению c десятью группами на незагрязненных станциях прибрежных вод. Эти группы мейофауны легко определяются, и их число может служить в качестве полезного показателя для мониторинга антропогенных изменений.
Трофическая структура
Трофическое положение вида имеет важное значение для таких процессов, как биоаккумуляция и общий поток энергии в сообществе. Соотношение первичных продуцентов или консументов может быть связано c сукцессией и стабильностью сообщества, a соотношение видов c различными типами питания может указывать на преобладающий вид энергии, доступный сообществу.
Сравнение сообществ
Методы сравнения сообществ в пространстве и времени по своей природе носят статистический характер. Многие методы сейчас широко используются и уже имеются в виде стандартных вычислительных программ.
Экосистемный уровень.
Оценка воздействия загрязняющих веществ на экосистемном уровне, как показывает опыт, сводится к использованию данных, полуученых для уровней популяции или сообществ, из которых оно состоит. Структурной основой экосистемы являются неорганические и органические вещества, факторы среды (температура, свет, ветер и др.), продуценты, консументы и, редуценты. Сложные взаимозависимые процессы функционирования экосистемы осуществляются за счет потока энергии, пищевых цепей, круговорота питательных веществ, изменения разнообразия, развития и эволюции во времени и пространстве, продуктивным оказалось предварительное выяснение чувствительных звеньев экосистем, по которым можно судить о состоянии экосистем.
Список литературы
1.Бурдин К. С. Основы биологического мониторинга М. 1985г.2.Дьяченко Г. И. Мониторинг окружающей среды (Экологический мониторинг) Новосибирск 2003г.
3.Хлебосалов Е.И. Методы системного экологического мониторинга Рязань 2000г.
4.Экологический мониторинг. Методы биологического и физ. - хим. Мониторинга. Ч.5 Учеб. Пособие. Н.Новгород Издательство Нижегородского ун-та 2003г.