Тема 15. Біоіндикація та біотестування

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Біоіндикація.

2. Біотестування.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

Вступ

Спостереження за станом біотичної компоненти біосфери, її реакцією на антропогенні впливи, відхилення від нормального, природного стану на різних рівнях (молекулярному, клітинному, організменному, популяційному й біоценологічному) називають біологічним моніторингом. Біологічний моніторинг пов’язаний з двома основними напрямами - біоіндикацією та біотестуванням.

 

1. Біоіндикація

 

Біоіндикація - використання організмів або угруповань організмів, чий вміст певних елементів або сполук, а також морфологічна, гістологічна або клітинна структура, метаболічні та біохімічні процеси, поведінка та популяційна організація дають інформацію щодо якості навколишнього середовища або природи змін цього середовища.

Біоіндикатори - біосистеми, фізіологічні функції яких так тісно корелюють з факторами навколишнього середовища, що можуть бути використані для оцінки останніх.

Багато організмів є чутливими до різних абіотичних і біотичних факторів середовища і можуть існувати лише в певних, часто дуже обмежених змінах цих факторів. Отже, спостереження за реакцією біоіндикаторів даватиме інформа­цію про стан навколишнього середовища. Біологічні системи, використовувані як біоіндикатори, різноманітні: мікроорганізми, нижчі рослини, лишайники, гриби, багато вищих рослин, окремі види й суспільства тварин, клітинні та субклітинні компоненти організму можуть бути ефективними біоіндикаторами, адаптованими до певних умов навколишнього середовища. З точки зору екології особливий інтерес становить можливість використання біоіндикаторів для оцінки рівня забруднення довкілля, здійснення постійного моніторингу за його якістю та змінами.

Індикаційні ознаки - це біологічні змінні, що характеризують стан окремих особин, групи організмів, популяцій та екосистем.

Розглядаються й аналізуються ці ознаки на різних рівнях організації. Відгуки на нижчих рівнях організації характеризуються високою чутливістю й специфічністю, тоді як відгуки на вищих рівнях найкращі з екологічної точки зору.

Як приклади чутливих біоіндикаторів атмосферного забруднення можна навести епіфітні лишайники, чутливі до якості повітря - багата флора лишайників свідчить про якісне повітря, тоді як відсутність лишайників указує на забруднення повітря S02. Біоіндикаційні властивості лишайників ґрунтуються на аналізі рівня поселення та абсолютної поверхні лишайників на стовбурі дерева, видового складу, частоти, з якою зустрічаються лишайники.

Відомо, що сільськогосподарські бур’яни проростають на ґрунтах певної якості. Так, Teesdalia nudicaulis можна зустріти лише на кислих ґрунтах, тоді якMercurialis annua - на основних.

Розглянемо як приклад індикаторів евтрофікації водойм комах-кровососів. За перші роки існування водойми видовий склад комах характеризується наявністю кровососів: ґедзів (Tabanide), мокреців (Ceratopogonidae), комарів (Culicidae}.Протягом десяти років у замкнених водоймах накопичується велика кількість органічних забруднювачів. У мулі можна знайти личинок комарів з родиниTipulidae, в прибережній зоні - личинок ґедзів, мокреців і комарів (Culex, Aedes,Mansoni)}. Евтрофікація водойми врешті-решт призводить до зміни родуMansonia, Culiseta, скорочується кількість видів ґедзів; водночас фауна комах може бути представлена деякими видами з родини Mucidae, Ceratopogonidae,Culicidae (Culexpipiens, Aedes caspus та ін.).

Перевагами методів біоіндикації є те, що вони:

·  підсумовують біологічно важливі дані щодо навколишнього середовища;

·  здатні реагувати на короткочасні й залпові викиди токсикантів;

·  реагують на швидкість змін, що відбуваються в довкіллі;

·  вказують на місця накопичення забруднювачів та шляхи їх міграції;

·  дають змогу розробляти оцінки шкідливого впливу токсикантів на людину й живу природу на ранніх стадіях та нормувати допустиме навантаження на екосистеми.

 

До недоліків методів біоіндикації слід віднести те, що вони не дають інформації про об’єктивні, фізико-хімічні особливості стресового фактора, що діє; вони потребують, як правило, більшої повторності для отримання статистичне значущих результатів.

 

2. Біотестування

 

Біотестування - використання організмів або угруповань організмів, чий вміст певних елементів або сполук, а також морфологічна, гістологічна або клітинна структура, метаболічні й біохімічні процеси, поведінка та популяційна організація дають інформацію щодо кількісної оцінки якості навколишнього середовища або змін цього середовища.

Тест-об’єкт - організм або угруповання організмів, за ступенем впливу на які судять про якість (наприклад, токсичність) середовища.

Тест-рєакція - фізіологічний або поведінковий відгук організму на зміну якості середовища.

Типові тест-об’єкти й тест-реакції, що використовуються під час біотестування, наведено в табл. 15.1.

Перевагами методів біотестування є висока чутливість, швидкодія, надійність, економічність, можливість створення автоматизованих систем збирання та обробки інформації.

До недоліків можна віднести відсутність кількісної оцінки всіх токсичних речовин, присутніх у середовищі, та можливої взаємодії окремих компонентів токсичних сполук, що містяться в суміші.

Якщо організми використовуються в природних умовах, методи біоіндикації або біотестування називають пасивними, якщо в лабораторних - активними.

Таблиця 15.1. Типові тест-об’єкти і тест-реакції, що використовуються під час біотестування

Тест-об’єкт	Тест-реакція
Бактерії Bociillus cereus Beneckea harveyi	Інтенсивність розмноження, біолюмінесценція, активність окислювальних ферментів, проникність мембрани, механічна міцність
Гриби й актиноміцети Aspergillus niger Streptomyces otivaceus	Реакція росту
Водорості Scenedesmus quadricuada Sc.acuminates Chlorella vulgaris Euglena gracilis Dunaliela salina D. viridis Nitela flexilis Phaedactilum tricornuctum Cladophora Fracta	Інтенсивність розмноження, рухлива активність, іммобілізація клітин, біоелектричні реакції, фотосинтетична активність клітин, імпеданс суспензії, проникність мембрани, активний транспорт
Найпростіші Tetrahymena pyrofornus Spirostomun ambiguum Euplotes sp.	Інтенсивність розмноження, рухлива активність, морфологічні зміни тіла, інтенсивність дихання, активний транспорт
Безхребетні Daphnia magna Hydra attenuate Hirudo medicinales Unio tumidus Eulimnogammarus verecosus Myzuchopecten yessoensis	Виживання, інтенсивність дихання та серцебиття, поведінкова реакція
Риби Perca fluviatilus Phoxinus phoxinus Cyprinus carpіo	Поведінкова реакція, рухлива активність, інтенсивність дихання та серцебиття, зміна пігментації шкіри

 

2.1. Методи біотестування

Векторний метод біотестування ґрунтується на визначенні величини r і напрямку θ вектора R, що характеризується такими проекціями на осі N - вимірної системи координат: Х1/ХІс, Х2/Х2с, ..., XN/XNc (де Х1, Х2, ..., XN і Х1с, Х2с, ХNc – тест-реакції організмів, що перебувають під впливом токсиканта й контрольних організмів відповідно.

Автоматизована система біотестування мікроорганізмів може бути використана для оцінки якості води на основі реєстрації різних параметрів руху джгутикової водорості Euglena gracilis, зокрема гравітаксису, рухливості й швидкості руху клітин. Ці параметри чутливі до ряду токсичних сполук, присутніх у стічних водах. Схему приладу для автоматизованого біотестування водоростей наведено на рис. 15.1.

Вона складається з горизонтально розміщеного мікроскопа, кювети з водоростями, що рухаються у вертикальному напрямку, ССД-камери, комп'ютерної системи спостереження руху водоростей, обробки й аналізу параметрів руху. Процедура вимірювань передбачає пропускання через кювету стандартизованої клітинної суспензії, яку спочатку розбавляють контрольною водою, а потім замінюють водою з токсикантом. Система дає змогу протягом 6...10 хв. оцінити небезпечні рівні токсичності водного середовища.

 

Рис. 15.1. Схема приладу для автоматизованого біотестування водоростей

 

Риби як тест-об’єкти. Забруднення водойм безпосередньо впливає на іхтіофауну. На стан і поведінку риб впливають суспендовані у воді речовини, рНсередовища, хімічні сполуки, важкі метали, пестициди, поверхнево-активні речовини. Вплив токсикантів на риб залежить від тривалості дії, типу токсиканта, показників якості води, видів риб та стадій їх життєвого циклу.

Основні методи біотестування з рибами як тест-об’єктами ґрунтуються на реєстрації таких тест-реакцій як поведінка, рухова активність, інтенсивність серцебиття та дихання, зміна рівня пігментації, порушення активності ферментів тощо. Розглянемо конкретні методи біотестування.

На рис. 15.2 наведено принцип дії біосигналізатора, в якому використовується поведінкова реакція риб.

 

Рис. 15.2. Принцип біотестування водного середовища на основі реєстрації

поведінкової реакції риб:

1 - акваріум; 2 - електроди; 3 - фотоприймач; 4 - система подачі чистої води

 

При відсутності токсикантів риби тримаються проти течії; мимовільному виходу риб з «житлової» зони заважає електричне поле, яке створюється електродами. Після підвищення токсичності води риби залишають цю зону, що фіксується фотоприймачами. Метод застосовано для контролю вод, що містять активний хлор, аміак, мідь, залізо, спирти, альдегіди, нафтоли, поверхнево-активні речовини, аміно- та нітросполуки.

Інший метод (рис. 15.3) передбачає реєстрацію електрокардіограми (ЕКГ) та електропневмограми (ЕПГ) риб, вміщених у контейнер з проточною водою, обладнаний електродами. Визначення рівня токсичності води полягає в порівняльному аналізі середніх значень ЕКГ і ЕПГ для груп риб у розчинах з токсикантом та в контрольній воді.

 

 

Рис. 15.3. Схема установки для біотестування стічної води згідно з

кардіореспираторними реакціями риби:

1 - контейнер; 2 - електроди; 3-підсилювач; 4- система реєстрації; 5 – термостат

 

Схему дистанційної системи біотестування з використанням риб як тест - об’єктів наведено на рис. 15.4. Інформація щодо забруднення водойми, температури, рН та інших параметрів надходить на вхід бортового комп’ютера, звідки передається на центральний пункт спостереження та аналізу стану середовища.

 

Рис. 15.4. Схема дистанційної системи біотестування

з використанням риб як тест-об’єктів